CN104079828A - 一种微光超快高重频成像探测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微光超快高重频成像探测装置与方法。包括光学信号接收导入组件、依次设置在光学信号接收导入组件后方的像增强器、耦合组件、CCD、CCD成像及信号处理模块；还包括用于控制像增强器的触发控制单元。本发明提供了一种本发明能够对微弱，超快的光信号进行增强，并使其产生一定时间延迟，同时触发高帧频CCD以图像形式记录增强后的光信号，从而完成对微弱超快的光学现象进行高频率探测和记录的一种微光超快高重频成像探测装置与方法。
Description
所属领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种微光探测装置与方法，尤其涉及一种微光超快高重频成像探测装置与方法。
背景技术
微光超快是指自然界经常发生的光学现象的特征之一，这种现象主要有三个特点，一是光能量较弱，表现为低照度，或单位面积的有效光子数仅有几个到几十个光子。二是这种光学现象持续的时间较短，常常只有几十纳秒。三是这种现象的重复频率有可能达到每秒几百次到上千次。随着的空间天文学领域的观测对象的扩充，越来越多的天文现象均属于微光超快现象；微光超快现象很难探测和记录，特别是很难以直观成像的方式记录下来，因此研制一种超快微光成像系统具有重要意义。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种微光超快高重频成像探测装置与方法。用于捕获微弱超快的光信号或光现象，并将其以图像的形式记录下来。
本发明的技术解决方案为：一种微光超快高重频成像探测装置，其特殊之处在于：包括光学信号接收导入组件、依次设置在光学信号接收导入组件后方的像增强器、耦合组件、CCD、CCD成像及信号处理模块；还包括用于控制像增强器的触发控制单元；
上述CCD成像及信号处理模块包括依次连接用于完成高帧频大面阵CCD驱动信号产生和输出的CCD驱动板、高帧频大面阵CCD输出视频信号处理的AD转换板、高帧频大面阵CCD多路输出信号拼接的数据处理板、图像传输与指令接收解析执行的接口板；
上述触发控制单元包括光电倍增管、信号逻辑判读单元、像增强器电源与高压控制模块；所述光信号通过光电倍增管传入信号逻辑判读单元，再通过接口板将外触发信号传递到像增强器电源与控制模块以控制像增强器开门时间；
上述接口板分别与电源模块和用于采集数据的采集卡及用于分析数据的计算机连接；
上述光电倍增管为单光子灵敏光电倍增管；
上述信号判读逻辑单元的外触发脉冲生成时间小于50nS；
上述耦合组件为光锥耦合组件或中继镜耦合组件；
上述CCD为高帧频大面阵CCD；
上述光学信号接收导入组件为镜头或光纤束；
上述耦合组件在入射光下限小于10个光子，动态范围超过1000的情况下为光锥耦合组件；上述耦合组件在入射光下限超过100光子，动态范围小于100的情况下为中继镜耦合组件；
一种微光超快成像探测装置的探测方法，其特殊之处在于：
具有以下步骤：1】根据待测微光超快光源或现象的光学属性设定微光超快成像装置的工作模式、像增强器增益、像增强器开门时间、CCD曝光时间和CCD增益；
1.1]当像增强器的触发控制单元处于关闭时，所述微光超快成像探测装置处于连续工作模式；
1.2]当像增强器的触发控制单元处于开启时，所述像增强器处于阴极常开模式或阴极常关模式；
2】待测微光超快光源或现象发射出的光信号穿过光学信号接收导入组件的同时被单光子灵敏的光电倍增管接收，经信号判读逻辑单元产生外触发信号。像增强器和CCD按照设定工作模式的时序关系完成阴极开门和CCD曝光操作；
3】待测微光超快光源或现象发射出的光信号穿过光学信号接收导入组件，在像增强阴极打开的情况下，利用像增强器微通道板对光信号进行放大，放大后的光信号到达像增强器的荧光屏，利用荧光屏的余辉使得光信号在像增强器的荧光屏有一定的延迟时间；
4】放大并延时后的光信号通过耦合组件到达CCD；
5】CCD曝光后产生视频信号，由CCD成像及信号处理模块进行信号整理输出后，由采集卡完成高灵敏高帧频大面阵CCD输出信号的采集。
上述步骤5，先利用采集卡上的串口和计算机上的串口，分别与像增强器高压与控制模块及CCD成像及信号处理模块进行通信，完成工作模式设置、像增强器增益调节、CCD曝光及增益调节；然后计算机对采集卡进行配置，通过调用驱动程序与采集卡进行数据交互，CCD成像与信号处理模块输出图像的同时，以帧同步信号作为采集卡触发信号，通知采集卡进行图像采集。
本发明的优点是：本发明能够对微弱，超快的光信号进行增强，并使其产生一定时间延迟，同时触发高帧频CCD以图像形式记录增强后的光信号，从而完成对连续或随机发生的微弱超快光学现象进行探测和记录，最高重复工作频率可达到每秒1000帧。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
其中，1-光电倍增管、2-信号逻辑判读逻辑单元、3-标准镜头接口、4-像增强器电源与控制模块、5-像增强器、6-耦合组件、7-高帧频大面阵CCD、8-CCD成像及信号处理模块、9-电源模块、10-采集卡、11-计算机、801-CCD驱动板、802-AD转换板、803-数据处理板、804-接口板。
具体实施方式
该探测系统包括光电倍增管1，信号判读逻辑单元2，标准镜头接口3，像增强器电源与控制模块4，像增强器5，光锥耦合组件601或中继镜耦合组件602，高帧频大面阵CCD7，CCD驱动板801，AD转换板802，数据处理板803，接口板804，电源模块9，采集卡10，计算机11。所述光电倍增管1，信号判读逻辑单元2构成微光超快成像系统的外触发信号生成部分。标准镜头接口3可以连接标准镜头或光纤束等作为光学信号的输入端。像增强器5，光锥耦合组件601或中继镜耦合组件602，高帧频大面阵CCD7依次构成微光放大成像光路。像增强器电源与控制模块4，CCD驱动板801，AD转换板802、数据处理板803、接口板804、电源模块9，采集卡10，计算机11构成微光超快成像系统的电子学部分，其中CCD驱动板801完成高帧频大面阵CCD驱动信号产生和输出，AD转换板802接收高帧频大面阵CCD输出的视频信号并完成模拟信号到数字信号的转换、数据处理板803进行高帧频大面阵CCD多路输出信号的拼接，接口板804完成与图像采集卡的数据传输和指令接收解析执行，与插入计算机11的高速Camera link图像采集卡10进行连接和通讯，计算机11可以通过图像采集卡10的串口向CCD成像及信号处理模块发送控制命令，完成系统工作模式的切换，高帧频大面阵CCD曝光时间设置，CCD增益调节，像增强器增益调节，像增强器开门时间设置。高帧频大面阵CCD7获取微光超快现象的视频信号，经过CCD驱动板801，AD转换板802、数据处理板803、接口804的高帧频图像数据被高速Camera link图像采集卡10采集，图像采集根据系统工作模式进行调整。计算机11通过串口向像增强器电源与控制模块4发送指令，像增强器电源与控制模块4对指令进行解析执行，完成对像增器的增益设置，像增强器开门时间的设置。像增强器电源与控制模块4接收由信号判读单元输出的触发信号，按照不同工作模式下的时序要求，控制像增强阴极的选通和高帧频大面阵CCD7的曝光。
像增强器5对从标准镜头接口3输入的光学信号进行放大，放大后的光学信号成像在像增强器5的荧光屏上，荧光屏上的图像能够维持若干毫秒，并通过光锥耦合组件601或中继镜耦合组件602耦合到高帧频大面阵CCD7上，高帧频大面帧CCD7及时曝光，就可以将瞬间的微光现象以图像形式记录下来。
系统响应的光的谱段范围由像增强器5光阴极响应波长(由光阴极材料决定，一般为200nm-900nm)、光锥耦合组件601或中继镜耦合组件602(可根据系统要求进行设计)、高帧频大面阵CCD7的光谱响应(一般为350-950nm)特征共同决定，可以响应可见光近红外谱段范围(350-900nm)的光信号。
本发明具有一个连续工作模式和两个外触发工作模式。连续工作模式不接收外触发信号，选择依据为待测微光超快光源或现象为高频连续事件。外触发模式一为像增强器阴极常开模式，仅当外触发信号到达一定时间(阴极选通脉冲宽度)后关闭，这种模式选择依据为微光超快光源或现象的持续时间小于100nS。外触发模式二为像增强器阴极常关模式，仅当外触发信号到达后开启一定时间(阴极选通脉冲宽度)，这种模式选择依据为微光超快光源或现象的持续时间大于100nS。
连续工作模式不需要外触发信号，以固定帧频1000帧/秒输出图像，像增强器5的阴极为常开状态，也可以通过计算机11发送指令，在0～1ms范围内调节像增强器开门时间或在0～1ms范围内调节CCD曝光时间，使得入射光在CCD像面上成像清晰但不饱和，像增强器开门与CCD曝光同步进行。
当装置被设置成外触发工作模式，当收到外触发信号后装置才开始工作，平时处于等待状态，像增强器具有两种外触发工作模式，一种是像增强器常开模式，像增强器5阴极平时即为开启状态，当外部触发信号到来时，高帧频大面阵CCD7开始曝光，像增强器5延续开启一段时间(与光源或光现象的持续时间等长或略长)后关闭，高帧频大面阵CCD7曝光结束后，重新打开像增强器5，等待下一次触发信号的到来。一种是像增强器常闭模式，像增强器5阴极平时即为关闭状态，当外部触发信号到来时，高帧频大面阵CCD7开始曝光，同时像增强器5的阴极迅速打开一段时间(与光源或光现象的持续时间等长或略长)后关闭，在高帧频大面阵CCD曝光结束前，外触发信号无效。
数据处理板803上的FPGA产生低压触发脉冲，将触发脉冲作为像增强器电源与控制模块4的输入，在像增强器电源与控制模块4输出端形成低压-200V，高压+50V的阴极选通正脉冲，其脉冲宽度与FPGA产生的低压输入触发脉冲相同，决定了像增强器阴极选通时间。
CCD具有高帧频，帧频能够达到1000帧/秒；大面阵，具有百万像素；高灵敏，量子效率能够达到50％以上。
可以获得时间分辨率为1000帧/秒的图像，可以近乎实时给出微光超快现象的图像。
能够完成从像增强器5输出到高帧频大面阵CCD7输入之间的光学耦合，可以用光锥601实现耦合，也可以用中继镜602实现耦合。
该方法是：利用单光子敏感光电倍增管1接收超快弱光信号，经信号判读逻辑单元2产生外触发脉冲，触发像增强器5和高帧频大面阵CCD7按照设定工作模式的时序关系进行工作。在不同工作模式下，充分利用像增器5的阴极选通功能，及时获取信号并降低背景噪声的积累。
利用像增强器5对超快弱光信号进行放大和延迟，同时使得高帧频大面阵CCD7及时的进行曝光，从而获取微光超快现象的图像。
下面以图1为实施例，说明本发明的结构特征，技术性能和效果。本实施例中，单光子灵敏光电倍增管1接收微光超快信号，经逻辑判读单元2产生外触发脉冲。微光超快高重频成像探测装置的输入接口为标准镜头接口3，可以连接标准镜头或具有标准镜头接口的光纤面板，光纤束等。像增强器5可以对通过标准镜头或光纤面板或标准镜头输入的微弱的光信号进行放大，放大后的光信号到达像增强器的荧光屏，利用荧光屏的余辉产生一定的延迟。放大并延迟后的光信号通过耦合组件6到达CCD，高灵敏高帧频大面阵CCD7，CCD驱动板801，AD转化板802，数据处理板803，接口板804，电源模块9及像增强器电源及控制模块4共同构成微光超快高重频成像探测装置的电子学部分，完成增强及延迟后的光信号的接收及处理。计算机11运行相关图像采集与控制软件，通过采集卡10完成高灵敏高帧频大面阵CCD输出信号的采集，并利用采集卡10上的串口和计算机11上的串口，分别与像增强器电源与控制模块及CCD成像及信号处理模块完成各种参数设置及通讯。计算机11及采集卡10配合完成图像采集和系统控制功能。
如图1所示，耦合组件可以为光锥，也可以是中继镜，光锥耦合具有较高的耦合效率，中继镜耦合具有较好的稳定性(即环境适应性)，耦合组件可以更换。
本发明利用单光子灵敏的光电倍增管对微光超快信号进行快速探测判读，产生外触发信号触发像增强器和CCD按照设定工作模式的时序关系工作。利用像增强器对超快弱光信号的放大和延迟功能，通过合理选通像增强器阴极，同时使得高灵敏高帧频大面阵CCD及时的进行曝光，从而获取微光超快现象的图像，重复工作频率可达1000帧/秒。
Claims (5)
1.一种微光超快高重频成像探测装置，其特征在于：包括光学信号接收导入组件、依次设置在光学信号接收导入组件后方的像增强器、耦合组件、CCD、CCD成像及信号处理模块；还包括用于控制像增强器的触发控制单元；
所述CCD成像及信号处理模块包括依次连接用于完成高帧频大面阵CCD驱动信号产生和输出的CCD驱动板、高帧频大面阵CCD输出视频信号处理的AD转换板、高帧频大面阵CCD多路输出信号拼接的数据处理板、图像传输与指令接收解析执行的接口板；
所述触发控制单元包括光电倍增管、信号逻辑判读单元、像增强器电源与控制模块；所述光信号通过光电倍增管传入信号逻辑判读单元，再通过接口板将外触发信号传递到像增强器高压与控制模块以控制像增强器开门时间；
所述接口板分别与电源模块和用于采集数据的采集卡及用于分析数据的计算机连接；
所述光电倍增管为单光子灵敏光电倍增管；
所述信号判读逻辑单元的外触发脉冲生成时间小于50nS；
所述耦合组件为光锥耦合组件或中继镜耦合组件；
所述CCD为高帧频大面阵CCD。
2.根据权利要求1所述的微光超快高重频成像探测装置，其特征在于：所述光学信号接收导入组件为镜头或光纤束。
3.根据权利要求1所述的微光超快成像探测装置，其特征在于：所述耦合组件在入射光下限小于10个光子，动态范围超过1000的情况下为光锥耦合组件；所述耦合组件在入射光下限超过100光子，动态范围小于100的情况下为中继镜耦合组件。
4.基于权利要求1所述的一种微光超快高重频成像探测装置的探测方法，其特征在于：具有以下步骤：
1】根据待测微光超快光源或现象的光学属性设定微光超快高重频成像装置的工作模式、像增强器增益、像增强器开门时间、CCD曝光时间和CCD增益；
1.1]当像增强器的触发控制单元处于关闭时，所述微光超快成像探测装置处于连续工作模式；
1.2]当像增强器的触发控制单元处于开启时，所述像增强器处于阴极常开模式或阴极常关模式；
2】待测微光超快光源或现象发射出的光信号穿过光学信号接收导入组件的同时被单光子灵敏的光电倍增管接收，经信号判读逻辑单元产生外触发信号，像增强器和CCD按照设定工作模式的时序关系完成阴极开门和CCD曝光操作；
3】待测微光超快光源或现象发射出的光信号穿过光学信号接收导入组件，在像增强阴极打开的情况下，利用像增强器微通道板对光信号进行放大，放大后的光信号到达像增强器的荧光屏，利用荧光屏的余辉使得光信号在像增强器的荧光屏有一定的延迟时间；
4】放大并延时后的光信号通过耦合组件到达CCD；
5】CCD曝光后产生视频信号，由CCD成像及信号处理模块进行信号整理输出后，由采集卡完成高灵敏高帧频大面阵CCD输出信号的采集。
5.根据权利要求4所述的微光超快高重频成像探测方法，其特征在于：所述步骤5，先利用采集卡上的串口和计算机上的串口，分别与像增强器高压与控制模块及CCD成像及信号处理模块进行通信，完成工作模式设置、像增强器增益调节、像增强器开门时间、CCD曝光及增益调节；然后计算机对采集卡进行配置，通过调用驱动程序与采集卡进行数据交互，CCD成像与信号处理模块输出图像的同时，以帧同步信号作为采集卡触发信号，通知采集卡进行图像采集。
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