CN101387548B - 单光子计数成像仪 - Google Patents

Abstract

一种单光子计数成像探测装置，其高压电源通过高压引线与微光像增强管连接；显示器、图像处理装置、打印机分别与计算机连接，微光像增强管与前置放大器之间还设置有阳极收集器，阳极收集器包括衬底镀在衬底上的电极以及信号引线，阳极通过信号引线与前置放大器连接；微光像增强管包括沿光路依次设置的光电阴极以及与光电阴极连接的微通道板。本发明既可以用作到达时刻的时间标记读出，也可以将一个周期内积分的总图像一并读出，实现极微弱目标单光子计数及二维成像探测，不仅具有单光子计数功能，而且能够对极微弱发光目标进行二维成像的特点。本发明具有大面阵、高灵敏度、暗计数低、分辨率高、成像线性度好，实时测量处理的优点。

Description

单光子计数成像仪

技术领域

本发明涉及一种极微弱光信号探测的光子计数成像仪，具体涉及一种用于空间极微弱紫外光信息探测的单光子计数成像仪。

背景技术

目前，在很多领域对于极微弱光测量的要求不断增强，微弱光探测技术越来越受到重视。微弱光像增强技术的应用已经取得了一些发展，例如：像增强器可以实现低照度目标探测；但是对于更低照度领域的应用，这些仪器的性能满足不了要求，例如：天文观测、空间极微弱光探测、生物荧光发光等极弱光现象的研究。在这些极微弱光探测中，需要通过探测单个光子的成像位置，通过一定时间积分和处理后才能获得完整的图像。这些领域应用的需求促成了光子计数成像计数技术的诞生和发展。

目前，用常规的弱光成像器件，例如：像增强器，ICCD等，没有单光子计数模式，所以探测不到极微弱的光信号；用光电倍增管(PMT)只能实现单光子计数；而用阵列光电倍增管实现单光子计数成像的方式很复杂，分辨率也不高；而对于用光子计数型电荷耦合器件(CCD)，采样了多个像元，每个象素对应一个入射光子相应产生计数，通常采用多帧叠加，要求高帧速，否则计数率低，并且需要复杂的内部电路，实用性不好。

发明内容

本发明的目的是提供一种单光子计数成像仪。

本发明可以实现单个电子、离子、带电粒子、光子的探测，通过对每个电子、离子、带电粒子、光子事件的位置解码后，既可以用作到达时刻的时间标记读出，也可以将一个周期内积分的总图像一并读出，实现极微弱目标单光子计数及二维成像探测，不仅具有单光子计数功能，而且能够对极微弱发光目标进行二维成像的特点。

本发明的技术解决方案是：一种单光子计数成像探测装置，包括壳体1，设置于壳体1内的光学窗口2、微光像增强管3、前置放大器5、放大整形电路6、数据采集装置7、图像处理装置8、计算机9；显示器10、打印机11、高压电源12；所述的高压电源12通过高压引线33与微光像增强管3连接；所述的显示器10、图像处理装置8、打印机11分别与计算机9连接，其特殊之处在于：所述的微光像增强管3与前置放大器5之间还设置有阳极收集器4，所述的阳极收集器4包括石英玻璃衬底42、镀在衬底42上的电极41以及信号引线43，所述的阳极41通过信号引线43与前置放大器5连接；所述的微光像增强管3包括沿光路依次设置的光电阴极31以及与光电阴极31连接的微通道板32。

上述的阳极收集器32包括W、S、Z三个电极，上述的三个电极相互绝缘，绝缘线宽度为20～30μm。

上述的微通道板32为两块或三块级联为佳。

上述的电极41以金电极为宜。

上述的金电极的导电层厚度为2μm。

上述的衬底42为石英玻璃或陶瓷，厚度2mm～3mm。

还包括支架13，上述的微通道板32与阳极收集器4固定于支架13上。

上述的微通道板32与阳极收集器4之间的距离为7～11mm。

上述的前置放大器5和放大整形电路6电磁屏蔽后，紧密排列并置于壳体1之后。

上述的壳体1为屏蔽金属壳体，所述的屏蔽金属壳体具有一个真空内腔。

本发明具有如下优点：

1)大面阵。传统CCD焦平面通常为1/3，1/2，2/3英寸，需要大面阵CCD通常要采取拼接方案，而本仪器中的阳极收集器根据需求，可以任意设计和加工，无需拼接。

2)高灵敏度、大动态范围。本系统采用2块或3块微通道板32级联，增益达到10⁶～10⁸，可以大大提高灵敏度和动态范围。

3)暗计数低。采用微通道板32级联方案，有效降低离子反馈，从而有效降低暗计数，目前暗计数低于0.2counts.cm^-2.s^-1。

4)分辨率高。本单光子计数成像仪采用连续阳极解码光子事件，空间分辨率主要受到电子读出系统的电子噪声影响，采用低噪声电荷灵敏前置放大器对信号进行放大，通过电子读出系统的优化，可以大大降低电子噪声的影响，从而有效提高空间分辨率，目前空间分辨率可达30～50μm。

5)成像线性度好实时测量处理。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为本发明的阳极收集器结构示意图；

图3为本发明对针孔掩模板的单光子计数成像效果图。

图4为本发明的图像处理装置流程图

附图标号说明：

1-壳体；2-光学窗口；3-微光像增强管；31-光电阴极；32-微通道板；33-高压引线；4-阳极收集器；41-阳极；42-衬底；43-信号引线；5-前置放大器；6-放大整形电路；7-数据采集装置；8-图像处理装置；9-计算机；10-显示器；11-打印机；12-高压电源；13-支架。

具体实施方式

本本发明的原理及工作过程：

单光子计数法利用在弱光下光电信号自然离散化的特点，采用精密的脉冲幅度甄别技术和数字计数技术，可把淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来。具体地当弱光照射到光电子阴极时，每个入射光子以一定的概率(即量子效率)使光电阴极31发射一个电子，这个光电子经倍增系统的倍增最后在阳极回路中形成一个电流脉冲，通过负载电阻形成一个电压脉冲，这个脉冲称为单光子脉冲。

经微通道板32倍增后的电子云(电子束团)被阳极收集器4收集，阳极收集器4面板共有W，S，Z三个电极，参见附图2。

在阳极W，S，Z三个电极引线分别连接有前置放大器5，前置放大器5输出信号经过主放大器成形后通过数字采集装置7采集，在计算机9上存储处理。通过计算输出电荷比例决定电子云在阳极面板上的质心位置。

位置解码算法为：

$x=\frac{Q_S-X_{\mathrm{talk}}{Q}_Z}{Q_W+Q_S+Q_Z}$ $y=\frac{Q_W-X_{\mathrm{talk}}{Q}_Z}{Q_W+Q_S+Q_Z}$

X_talk是串扰的修正系数，它和电子收集区之间的电容耦合相关。

阳极收集器4的设计采用微电子平面工艺，在石英玻璃基片上镀金，通过光刻得到金电极。为了提高灵敏度，阳极收集器4阳极导电层采用金。阳极收集器4阳极制作需要先在经过处理的基板(石英玻璃、陶瓷)上涂敷光刻胶，然后将基片进行前烘，再用辐射源曝光，曝光后经显影、漂洗、后烘、蚀刻、去胶等加工工序。经过这一整套工序后就可以在基片上形成与掩模具有相同图像信息的几何线条图形。

参见图1，光学窗口2，用于输入来自目标的光子，微光像增强管3用作光电转换及电子增强，通过所述光学窗口2接收所述光子；光电子经级联微通道板32组件倍增形成电子云，由阳极收集器4收集，再通过信号电极将信号引出，电极将获取的信号输出；通过前置放大器5将信号放大、再通过放大整形电路6将信号做进一步放大整形；数据采集装置7负责把3路信号进行采集，并把结果数字化，得到三路数字信号，传给计算机9进行存储、显示、通过图像处理装置8进行实时处理，将三路结果相加，得到一个数据作为阈置，判断数据是否是事件，如果是事件，则进行有效处理，通过位置解码算出该事件的几何位置X，Y坐标，映射到图像对应象素，赋予相应的灰度；这样，一定时间的积分(曝光)就实现了单光子计数和成像，参见图3。

本发明利用波形数字化技术，将数据采集装置采集到的三路主放的输出电压信号(分别对应W、S、Z三个电极)在图像积分时间内进行连续采样并输送至主机内存。采用乒乓技术，从主机内存资源中划分出4块大小一样、连续的内存块。当第一块内存存储完毕后，数据采集装置就向第二块内存块传送采样数据，同时开始对第一块内存中的采样数据进行处理，依此类推，周而复始。数据处理的算法包括滑动平均降噪、峰值检测、图像还原与校正等。

图像处理装置包括单光子计数成像计算机程序，滑动平均降噪、峰值检测、图像还原与校正算法。

参见图4，图像处理过程包括以下步骤：

1.启动单光子计数成像计算机程序。

2.设置有关参数，比如图像积分时间、图像象素(一般有200×200，300×300，512×512，1024×1024)、设置阈置、设置采样速率、设置图像矫正参数等。

3.触发数据采集装置开始采集数据，并开始记时。

4.从主机内存依次读取数据，进行峰值检测。

5.检测到峰值后，进行阈置判断，如果在阈置范围则进行后续处理，否则返回4。

6.通过位置解码算法，计算出光子事件位置坐标(X，Y)。

7.判断该事件是否有效，如果有效则赋予图像相应象素一定灰度。

8.判断图像积分时间是否结束，如果没有，返回峰值检测4，继续处理。

9.如果图像积分时间结束，进行图像矫正，输出单光子计数灰度图像，结束任务。

微光像增强管安装在壳体1中，壳体1抽成真空，外部用金属材料作为屏蔽。微通道板32通过电极和提供高压，2块微通道板32高压一般为1800V。前置放大器5用于放大从阳极收集器4输出的信号，通过信号引线43与之连接。为了保证处理电路的高频特性，又有效降低噪声水平，将前置放大器34和放大整形电路35尽可能紧凑的方式装在壳体1的后面，并做好电磁屏蔽。

微通道板32在一定的高压下才能工作，单块微通道板32的工作电压一般为800～1000V，阳极收集器4阳极相对微通道板32输出面也必须具有一定的电位，这样才能使微通道板32出来的电子云正常地打在上面，有利于阳极收集电子，不使电子云中心发生畸变。本新型采用2块微通道板32级联，因此需要微通道板32正常工作需要1800V～2000V左右的直流稳压电源，稳压电源采用模块化微型高压电源12，要求电源稳定性高，纹波系数小。将高压电源8各部分功能电路分别封装，做了高压绝缘及屏蔽处理后，组装在机箱里，输出电压值由前面板数字表头直接显示。

放大器的功能是把光电子脉冲和噪声脉冲线性放大，从双微通道板32出来的电子脉冲上升时间≤3ns，这就要求放大大器的通频带宽达到100MHz，并且有较宽的线性动态范围和较低的热噪声。

该成像仪要设计一个合理的支架13用来固定两块V型级联微通道板32和阳极收集器4，主要要求有：

1)机械固定的松紧合适，既要保证微通道板32和4阳极收集器4的位置固定牢靠，电极接触良好，又不要压得太紧或者太松，压得太紧会把微通道板32压裂，太松会造成电极接触不好，局部电流过大甚至放电而损坏MCP；

2)结构紧凑对信号有屏蔽功能，尤其是对快信号。不过WSZ阳极和MCP之间的距离要适当，太远会影响分辨率，太近会增大WSZ阳极和微通道板32之间的分布电容，影响快信号质量，它们之间的距离一般保持在7～11mm为好；

3)微通道板32容易损坏，需要更换，所以拆装要方便重复性要好，另外与微通道板32接触的电极要光滑，有弹性，保证导电性能良好，两块微通道板32之间有出气的缝隙，以及安装过程要在很干净的环境中进行，以防空气中的灰尘落在微通道板32表面上严重影响使用或引起局部击穿。

通过探测三路电极输出电荷量的比例确定电子云的质心位置，因此电子读出系统的关键是如何得到准确的三路信号的电荷量。由于探测器输出的信号幅度较小(几十毫伏)，需要对信号进行放大，然后再进行处理测量。探测器与放大器连接的传输线越长，分布电容就越大，信噪比越小。此外，也容易受到外界的干扰，为了减少探测器输出端到放大器输入端之间分布电容的影响以及信号在这段路程传输过程中受到外界的干扰，提高信噪比，通常把信号放大部分分为前置放大器5和放大整形电路6两部分。

本发明单光子计数成像仪能探测单个电子、离子、带电粒子、光子，通过对每个电子、离子、带电粒子、光子事件的位置解码后，既可以用作到达时刻的时间标记读出，也可以将一个周期内积分的总图像一并读出。实现对弱光成像和紫外、极紫外波段等的成像探测。

单本领域中的技术人员知道，可以根据本发明的设计思路做出不同的变形，例如采用不同的光电阴极，可以衍生出紫外单光子计数成像仪、可见光单光子计数成像仪、红外单光子计数成像仪等，而不受所公布的实施例子的限制，这些变形都没有超出本发明的权利要求请求保护的范围。

Claims (7)

1.一种单光子计数成像仪，包括壳体(1)，设置于壳体(1)内的光学窗口(2)、微光像增强管(3)、前置放大器(5)、放大整形电路(6)、数据采集装置(7)、图像处理装置(8)、计算机(9)；显示器(10)、打印机(11)、高压电源(12)；所述的高压电源(12)通过高压引线(33)与微光像增强管(3)连接；所述的显示器(10)、图像处理装置(8)、打印机(11)分别与计算机(9)连接，其特征在于：所述的微光像增强管(3)与前置放大器(5)之间还设置有阳极收集器(4)，所述的阳极收集器(4)包括衬底(42)、镀在衬底(42)上的电极(41)以及信号引线(43)，所述的电极(41)通过信号引线(43)与前置放大器(5)连接；所述的微光像增强管(3)包括沿光路依次设置的光电阴极(31)以及与光电阴极(31)连接的微通道板(32)；所述的电极(41)为金电极，金电极的导电层厚度为2μm；所述的阳极收集器(4)包括W、S、Z三个电极，所述的三个电极相互绝缘，绝缘线宽度为20～30μm。

2.根据权利要求1所述的单光子计数成像仪，其特征在于：所述的微通道板(32)为两块或三块。

3.根据权利要求2所述的单光子计数成像仪，其特征在于：所述的衬底(42)为石英玻璃或陶瓷。

4.根据权利要求3所述的单光子计数成像仪，其特征在于：还包括支架(13)，所述的微通道板(32)与阳极收集器(4)固定于支架(13)上。

5.根据权利要求4所述的单光子计数成像仪，其特征在于：所述的微通道板(32)与阳极收集器(4)之间的距离为3～5mm。

6.根据权利要求5所述的单光子计数成像仪，其特征在于：所述的前置放大器(5)和放大整形电路(6)电磁屏蔽后，紧密排列并置于壳体(1)之后。

7.根据权利要求6所述的单光子计数成像仪，其特征在于：所述的壳体(1)为屏蔽金属壳体，所述的屏蔽金属壳体具有一个真空内腔。

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