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Design of WLSF fiber mapping on IsCMOS optical taper and the study of cross talk effect

晶体阵列读出光纤在光锥上的排布方案设计以及其在CMOS上串扰效应的研究


背景简介

内容已迁移至新版twiki继续更新 (2021-08-13)

https://twikinew.ihep.ac.cn/twikiherd/view/HERD/HERDFiberMappingOnTaper

探测原理和涉及的参数介绍

测量原理简介

每个晶体耦合有两根光纤(或一根光纤双端读出)引出两路荧光信号,分别作为测量的高和低量程。每个量程光纤分别汇聚成一把通过微孔固定面板和IsCMOS前级光锥耦合

  • 光纤信号在前级光锥等比例缩小后在光锥末端的光阴级发生光电转换
  • 光电子在MCP内部漂移和实现电子倍增
  • 倍增的电子激发镀在后级光锥前端的荧光屏发光
  • 荧光光子经过后级光锥再次等比例缩小后,到达CMOS芯片进行曝光测量
IsCMOS_chained.png

材料和硬件参数介绍

  • WLSF:直径0.3mm,用于读出的光纤按照高低量程分别汇聚成两簇,每簇的光纤端面数为7497根,与晶体一一对应。
  • 光锥:一个光纤簇的所有光纤嵌入固定在微孔固定件(微孔板)中,微孔板与前级光锥耦合。微孔板和前级光锥的投影平面为一个 圆形,圆的半径为2.66cm,有7777的孔位与光纤对应。
    对于 每一个孔位,其直径稍大于光纤直径为0.36mm,预留一定的空间安装和固定光纤。相邻孔四周由黑色介质隔开,避免光的串扰。对于每个孔,隔离介质以正六边型填充,其内切圆直径为0.57mm。
    前后两级光锥的缩比分别为4:3和2:1,由此推算在无扩散的前提下光纤在CMOS上的光斑直径为0.3mm*(3/4)*(1/2)= 0.11mm。
  • CMOS:其外部包络为方型,一块CMOS足够容纳所有7497根光纤信号。当前版本的CMOS一个像素为5.5um*5.5um,对应一个光斑直径约20个像素。
    未来版本的CMOS使用大像素45um*45um。
  • 方与圆的耦合考虑:CMOS为方形,微孔固定面板和光锥为圆形,这就造成了部分CMOS面积无法有效利用。考虑微孔固定面板和光锥有较高的定制性,同为为了考虑降低光在微孔固定面板和光锥的串扰以及充分利用像增强器的面积,定制二者为圆形。与牺牲CMOS的面积相比,获得的收益更高。

几何建模和问题的提出

以微孔板的构形为参考建立每个光纤排布相对坐标和编码。其中基本单元为微孔板正六边形单元的内切圆,直径取0.57mm。
定义微孔板的几何中心为坐标原点,每个基本单元 如图所示的(r,g,b)三个参数进行编码,对于每个单元其编码满足r+g+b=0。

每根光纤在CMOS的光斑位置,可以由微孔板的孔位坐标直接线性投影的到。

光学串扰在整个读出系统有两处:

  • 前级光锥处的串扰。主要指透光的情况,由微孔板的制作工艺,微孔板与前级光锥的耦合工艺决定。此类串扰可通过工艺的优化根治?
  • CMOS芯片上的串扰。CMOS上的每根光纤对应的光斑形状和其输入光强具有一定的关性。当光强较强时,存在光斑范围变大扩散造成到其它光纤对应的像素的额外响应。
对于一个的事例,由于簇射的本征特征即靠近簇射主轴的晶体有较高的沉积能量,反之距离簇射主轴较远的晶体沉积能量较低,导致不同光纤光强响应的差异性。

与此同时光纤在微孔板的排布方案对应不同的串扰效应,需要研究不同光纤排布方案下串扰效应对测量的影响(能量,粒子识别),找到最优的光纤排布方案。

串扰定义的实验室测量

在CMOS芯片级的光斑重建上,一般的方法是以光纤中心对应的像素为几何中心(中心像素),选取固定范围内的像素进行幅度求和(重建像素群),得到当前光纤对应的总灰度值(光纤灰度),再根据灰度和能量的刻度转换系数的到当前光纤对应的能量响应。

对于串扰的描述,考虑理想情况可以定义为,随着光纤内光强的增加,导致距离中心像素较远的像素响应高于CMOS暗噪声,而这些像素如果属于相邻光纤的重建像素群,那么相邻光纤的灰度响应就会叠加上当前光纤的串扰成分。

实际上,除了光强因素导致的串扰,光学传播导致的串扰在整个信号传播链路内也是存在的,如光纤端口出射光并不是平行光,导致在入射端光纤微孔固定面板、荧光屏出射端上的光学扩散。这部分内容和微孔固定面板及光锥的制作工艺相关,在串扰模拟中暂时不考虑。

考虑IsCMOS的动态范围约束,需要至少两台不同量程(高低)的IsCMOS覆盖量能器横跨至少6个量级的总动态范围需求。

对高量程的IsCMOS,通过光学衰减/MCP增益调节的方式,使得高量程到达CMOS芯片上的光强和低量程近似一致,使得两路光纤和IsCMOS的灵敏区间能够较好的匹配。对于一个簇射的事例,每个晶体单元能量的重建需要考虑同时参考高低量程的光纤灰度响应,即

  • 光纤MIP灰度 < 光纤当前灰度 < 低量程阈值之内时,用低量程IsCMOS的光纤灰度确定晶体能量
  • 高量程阈值 < 光纤当前灰度时,此时低量程光纤灰度饱和,需要用高量程IsCMOS光纤灰度确定晶体能量
一般来说,当光纤灰度在低量程出现饱和时,对应的重建像素群,总是在中心像素开始饱和,逐渐扩展到邻近像素的饱和。那么对串扰的描述,也存在两种情况:
  • 当高量程重建像素群无响应时,仅存在低量程CMOS上邻近光纤的串扰
  • 当高量程重建像素群有响应时
    • 高量程ICMOS上邻近光纤的串扰
    • 低量程IsCMOS上饱和光纤对邻近光纤的串扰
    • 低量程IsCMOS上非饱和光纤对邻近光纤的串扰
对于已饱和的重建像素群,其饱和程度的大小也会影响串扰的比例。一般来说,需要对已饱和的重建像素群作饱和修正,得到其对邻近光纤的真实串扰大小。下图是实验室测量的串扰比例随着重建像素群对应的光纤灰度值的变化曲线。横轴为固定像素求和的光纤灰度,纵轴为串扰灰度和光纤灰度的比例,黑色、红色、绿色三条曲线分别与当前光纤中心像素距离分别为 1倍(微孔板直径*两级光锥缩比)(无扩散)光斑直径(Phi=0.11mm),sqrt(3)倍光斑直径,以及2倍光斑直径,即考虑正六边形排布的邻近光纤。对于超过2倍直径的串扰,其灰度已经远低与CMOS单像素暗噪声,可不考虑。

xtr_ratio.png

算法处理

algFlow.png

-- xu ming - 2021-07-19

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Topic revision: r11 - 2021-08-13 - XuMing
 
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