2020最后一天 || 时间相关单光子计数器(TCSPC)的定时(Timing Resolution)误差来源

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参考文献：

PicoQuant: 光子计数和定时产品宣传手册

PicoQuant: 时间相干单光子计数技术手册

PicoHarp 300产品说明网页

PicoHarp 300软件使用说明

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时间相关单光子计数器(TCSPC)的定时分辨率(Timing Resolution)是指计数器计数到的光子到达时间与实际光子到达时间之间的误差。它主要来源于：

• 探测器
• 激光源
• TCSPC的电子组件
• TCSPC直方图的通道宽度

探测器对TCSPC定时分辨率的影响

• 在TCSPC测量中，就时序分辨率而言，最关键的组件通常是检测器。

• 但是，与模拟瞬态记录相反，TCSPC的定时分辨率不受检测器的模拟脉冲响应的限制。只有记录光子的定时精度才能决定定时分辨率。

• 定时精度受到检测器在从光子到电脉冲的转换中引入的定时不确定性的限制。

激光源对TCSPC定时分辨率的影响

• 第二个影响因素是激光源

• 尽管许多激光源可以提供足够短的脉冲，但获得定时参考信号（同步）以与目标事件信号进行比较是十分重要的。

• 此信号的来源取决于激励源：
  • 使用增益开关二极管激光器，低抖动的电同步信号就很容易获得。
  • 对于其他激光器（例如Ti：Sa），必须使用第二个检测器从光脉冲序列中获取同步信号。通常使用快速光电二极管（APD或PIN二极管）完成此操作。
    • 该参考检测器的光必须来自激发激光束，例如激光束通过半透明的镜子。必须仔细选择和设置参考检测器，因为它也会导致整体定时误差。

TCSPC的电子组件对定时分辨率的影响

• 时序误差的另一个来源是用于TCSPC的电子组件的时序抖动。

• 这是由用于时间测量的电信号的有限的上升/下降时间引起的。
  • 在比较器，逻辑门等的触发点，这些信号中始终存在的热噪声，干扰等被转换为相应的定时误差。
  • 但是，电子器件对总定时误差的贡献通常很小。
• 当然，始终保持较低的电气噪声拾取总是好的。
  • 因此，信号线应正确屏蔽同轴电缆，并使电子器件远离强电磁干扰源。

上述因素的综合影响分析

• TCSPC系统的各个组件引入的时间扩展对IRF总宽度的贡献在很大程度上取决于它们的相对大小。
  • 严格来说，整个IRF是所有组件IRF的卷积。
  • 假设有独立的噪声源，则可以从各个分量的几何总和中获得rf的总IRF宽度估计值(二范数)
  • 由于是总和的平方(二范数)，故总和将以最大的部分为准。因此，改进已经相对良好的组件几乎没有价值。

• 对荧光探测任务，很难指定可以通过给定的TCSPC仪器测量的荧光寿命的一般下限：
  • 除了仪器的响应功能和噪声外，诸如量子产率，荧光团浓度和衰减动力学等因素也会影响测量。
  • 但是，作为限制，可以假设在有利条件下，仍可以通过反卷积恢复低至IRF宽度（FWHM）的1/10的寿命。

TCSPC直方图的通道宽度对定时分辨率的影响

• 如上所述，时序信号的模拟电子处理（检测器，放大器，CFD等）会在任何真实时间值周围产生连续分布。

• 为了形成直方图，必须在某些时候对时序结果进行量化。

• 如果选择得过于粗糙，则此量化会引入另一个半随机误差。
  • 因此，与连续IRF相比，量化步长（即分辨率）必须较小。
  • 从信息理论的角度来看，这是由抽样理论决定的。
  • 作为最小采样频率，因此将采用奈奎斯特频率。 即 信号应至少以其包含的最高频率的两倍进行采样。
  • 出于实际目的，可能希望超出此限制，但是以远高于系统模拟部分总IRF宽度1/10的分辨率采样直方图通常没有任何好处。
  • 但是，良好的分辨率对于通过迭代重新卷积进行的数据分析是有益的。

 

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本文大量参考 PicoHarp 300使用说明

原载于 我的博客

如有错误，请联系 rxnlos@126.com

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