CN104568176B - 光子相机超高速单光子成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子相机超高速单光子成像装置，包括光子阵列探测器、阵列阈值生成器、整机控制及处理传输单元、阵列置位记录器。本发明实现了在极高速度下，具备实现单光子灵敏度的光子相机成像。

Description

光子相机超高速单光子成像装置

技术领域

本发明涉及一种光子相机的成像装置，特别涉及一种光子相机的超高速单光子成像装置。

背景技术

在粒子跟踪、量子雷达、星体探测、辐射成像等领域，当被检测的光信号到达单光子级别，即显现离散的单个光子入射状态的时候，其成像会变的很不容易。

单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域发射、量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，它已经成为各国家光电子学界重点研究的课题之一。

单光子探测是一种极微弱光探测法，它所探测的光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平(10^-14W)还要低，用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。单光子技术方法利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散的特定，采用冒充甄别技术和数字计数技术把极其弱的信号识别并提取出来。

当前，光子相机普遍使用EMCCD等成像方案来实现成像，其高速的情况下可以做到每秒1万张，可以在弱光下进行拍照，但是某些应用场合，就不能满足要求，比如每个像素只需要分辨是否有单光子或者一团光子入射，不需要知道其数量，并且每秒的照片量要做到至少10亿张。这个情况下使用普通的光子相机，就不适合了，第一其拍照的速度远远达不到要求，第二，其不能使用单光子的入射的连续触发，即测到一次一个或一团光子入射，即生成一张照片。第三，其不能达到单光子的探测灵敏度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光子相机超高速单光子成像装置，实现了在极高速度下，具备实现单光子灵敏度的光子相机成像。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种光子相机超高速单光子成像装置，包括光子阵列探测器、阵列阈值生成器、整机控制及处理传输单元、阵列置位记录器；所述光子阵列探测器的每个通道均连接一个独立的处理电路，所述处理电路包括依次连接的脉冲放大器、微分器、比较器；所述光子阵列探测器，用于将光信号转换成电脉冲信号；所述脉冲放大器，用于将光子阵列探测器输出的电脉冲信号进行放大；所述微分器，用于将放大后的电脉冲信号进行微分，形成窄脉冲；所述比较器，用于将比较器阈值以上的微分后窄脉冲转换成标准电平；所述阵列置位记录器分别与每个比较器连接，用于记录在设定时间内每个比较器的输出是否为标准电平；所述阵列阈值生成器分别与每个比较器连接，用于为每个比较器生成独立的阈值信号；所述整机控制及处理传输单元分别与每个脉冲放大器连接，用于控制每个所述脉冲放大器的放大倍数；所述整机控制及处理传输单元与所述阵列阈值生成器连接，用于控制所述阵列阈值生成器生成的每一路比较器阈值的大小；所述整机控制及处理传输单元与所述阵列置位记录器连接，用于控制阵列置位记录器的设定时间、对阵列置位记录器记录的数据进行处理并输出结果。

作为本发明的进一步优化方案，还包括与整机控制及处理传输单元连接的高速实时传输接口，用于将整机控制及处理传输单元处理后的数据进行实时传输。

作为本发明的进一步优化方案，上述高速实时传输接口为cameralink或光纤。

作为本发明的进一步优化方案，还包括与整机控制及处理传输单元连接的以太网接口，用于操作者向整机控制及处理传输单元传输装置的参数并控制装置的工作状态。

作为本发明的进一步优化方案，所述光子阵列探测器为PSPMT多阳极光电倍增管。

作为本发明的进一步优化方案，所述脉冲放大器为的带宽至少1GHz。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1)本发明中通过整机控制及处理传输单元根据光子阵列探测器，来设定每个脉冲放大器的增益，大大减小了成像的失真；

2)本发明中同时对光子阵列探测器的所有通道进行高速测量和成像，并且每个通道均可达到单光子级别；

3)本发明使用光电倍增管作为光子相机的前端，采用阵列光子计数的方式实现了单光子级别的高速多点同时定位和成像探测，每秒的照片量可以超过10亿张。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是实施例一的成像图像。

图3是第12ns重心处理后的输出照片。

图4是第187ns重心处理后的输出照片。

图5是第241ns重心处理后的输出照片。

图6是第305ns重心处理后的输出照片。

图7是第421ns重心处理后的输出照片。

图8是第620ns重心处理后的输出照片。

图9是合成后在某个面上关于时间的轨迹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明提供一种光子相机的超高速单光子成像装置，如图1所示，包括光子阵列探测器、阵列阈值生成器、整机控制及处理传输单元、阵列置位记录器；所述光子阵列探测器的每个通道均连接一个独立的处理电路，所述处理电路包括依次连接的脉冲放大器、微分器、比较器；所述光子阵列探测器，用于将光信号转换成电脉冲信号；所述脉冲放大器，用于将光子阵列探测器输出的电脉冲信号进行放大；所述微分器，用于将放大后的电脉冲信号进行微分，形成窄脉冲；所述比较器，用于将比较器阈值以上的微分后窄脉冲转换成标准电平；所述阵列置位记录器分别与每个比较器连接，用于记录在设定时间内每个比较器的输出是否为标准电平；所述阵列阈值生成器分别与每个比较器连接，用于为每个比较器生成独立的阈值信号；所述整机控制及处理传输单元分别与每个脉冲放大器连接，用于控制每个所述脉冲放大器的放大倍数；所述整机控制及处理传输单元与所述阵列阈值生成器连接，用于控制所述阵列阈值生成器生成的每一路比较器阈值的大小；所述整机控制及处理传输单元与所述阵列置位记录器连接，用于控制阵列置位记录器的设定时间、对阵列置位记录器记录的数据进行处理并输出结果。

本发明中，光子阵列探测器是一种阵列化的光电转化器件，其灵敏度可以达到单光子级别，常用的是多阳极光电倍增管PSPMT，其输出的电脉冲宽度一般为皮秒级，还可以选用其他的阵列型探测器件以及采用单个的光子探测器进行阵列化组装。

本发明中，脉冲放大器用于将光子阵列探测器输出的微弱电脉冲信号放大，该放大器的带宽是至少1GHz，其中，各路脉冲放大器的放大倍数可以独立的调整。

本发明中，微分器用于将脉冲放大器的输出信号微分，脉冲放大器的输出和输入脉冲的宽度相等，微分的作用是将沿边检测出来，并形成窄脉冲，便于后端的比较器将相邻较近的两个脉冲检测出来。

本发明中，比较器是一种高速的比较器，能将比0.5ns宽度窄的脉冲转换成标准的电平。

本发明中，阵列置位记录器的功能是记录每个通道对应连接的比较器是否输出有标准电平的脉冲，有脉冲即置位为“1”，无脉冲就为“0”。阵列置位记录器可以在FPGA里面实现，是一个位数宽度只有一位的寄存器。

本发明中，还包括与整机控制及处理传输单元连接的高速实时传输接口，其为一种高速的实时传输接口，能将数据实时的传输出去，整机控制及处理传输单元处理后的采集数据可以通过高速实时传输接口进行实时传输。一般来说，高速实时传输接口为cameralink或光纤等。还包括与整机控制及处理传输单元连接的以太网接口，操作者可以通过以太网接口向整机控制及处理传输单元传输装置的各项参数，同时还可以通过其控制装置的工作状态。

本发明的工作流程如下：

由以太网传入本装置工作的基本设定数据，包括系统的探测时间T、每个脉冲放大器的增益大小、每个比较器的阈值大小。传输完成后，整机控制及处理传输单元按照此参数对相应的模块做出设置，并等待以太网传入开始指令后开始采集。

单光子进入光子阵列探测器，转换成微弱的单光子电脉冲信号，经过脉冲放大器放大成较大幅度的脉冲信号；其每一个的放大倍数已由整机控制及处理传输单元设定好，放大后的信号进入微分器，变成窄宽度的脉冲信号后输出给比较器；每个比较器的阈值大小已经由整机控制及处理传输单元设定好，凡是幅度在此阈值以上脉冲信号，均会转换成标准的电平信号，传输给阵列置位记录器；该阵列置位记录器是一个一位的寄存器，在设定的探测时间T内，如果前端对应的比较器输出脉冲电平，该位将会置位，T时间后，系统会将其复位，并开始下一次采集。整机控制及处理传输单元对采集的数据进行处理后，通过高速实时传输接口传出。

下面通过两个具体的成像实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明，其中，两个实施例的成像均为32*32分辨率，即光子阵列探测器的通道为32*32：

实施例一

设定的探测时间T为1ns，即每1ns采集一次照片，如图2所示，横轴和纵轴是对应阵列探测器通道的行和列，黑色的点是有光子入射的像素(通道)，白色的点是没有光子入射的像素(通道)。装置运行的时候，很多个单光子入射到一个面上，这个面即是光子阵列探测器，这些单光子的分布方式是在时间T内离散的分布在这个面的相应位置，阵列置位记录仪将单光子的相应的位置位为1；没有光子入射的位置为0。这样就能在每个相机像素达到单光子的灵敏度的情况下，实现极高速(1ns)的成像。

实施例二

系统采用自动触发的方式，即来一个光脉冲信号，就记录一张照片，大多数情况下，一般用于探测某物体发出的光子相对于一个平面的相对于时间的分布轨迹，一般来讲，一次只有一个光子或者一团光子。通过以太网设置时间T，本实例的时间T是1ns，当有光子入射的时候才触发采集，采集的时长为T，没有光子入射，就不采集，一旦触发采集后，入射的位置对应的阵列置位记录仪的相应位会变成“1”，相片上会有一个黑色点出现，(如果在触发采集以后的时间T内相续有几次入射，那么照片上的相应位置将会出现这几次的点，一般这种情况很少，以下的照片是以一次触发只采集到一个点为例的)。得到时间T内的照片后，整机控制及处理传输单元通过数字信号处理计算出该点的重心，并将该重心位置成像照片上然后输出照片数据，得到如图3至图8所示的6张重心处理后的输出照片。将这个6张照片合成一个关于时间的分布轨迹，如图9所示。其中，X轴和Y轴分别时对应阵列的行和列，Z轴是时间，单位ns。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.光子相机超高速单光子成像装置，其特征在于，包括光子阵列探测器、阵列阈值生成器、整机控制及处理传输单元、阵列置位记录器；

所述光子阵列探测器的每个通道均连接一个独立的处理电路，所述处理电路包括依次连接的脉冲放大器、微分器、比较器；

所述光子阵列探测器，用于将光信号转换成电脉冲信号；

所述脉冲放大器，用于将光子阵列探测器输出的电脉冲信号进行放大；

所述微分器，用于将放大后的电脉冲信号进行微分，形成窄脉冲；

所述比较器，用于将比较器阈值以上的微分后窄脉冲转换成标准电平；

所述阵列置位记录器分别与每个比较器连接，用于记录在设定时间内每个比较器的输出是否为标准电平；

所述阵列阈值生成器分别与每个比较器连接，用于为每个比较器生成独立的阈值信号；

所述整机控制及处理传输单元分别与每个脉冲放大器连接，用于控制每个所述脉冲放大器的放大倍数；

所述整机控制及处理传输单元与所述阵列阈值生成器连接，用于控制所述阵列阈值生成器生成的每一路比较器阈值的大小；

所述整机控制及处理传输单元与所述阵列置位记录器连接，用于控制阵列置位记录器的设定时间、对阵列置位记录器记录的数据进行处理并输出结果。

2.根据权利要求1所述的光子相机超高速单光子成像装置，其特征在于，还包括与整机控制及处理传输单元连接的高速实时传输接口，用于将整机控制及处理传输单元处理后的数据进行实时传输。

3.根据权利要求2所述的光子相机超高速单光子成像装置，其特征在于，所述高速实时传输接口为cameralink或光纤。

4.根据权利要求1所述的光子相机超高速单光子成像装置，其特征在于，还包括与整机控制及处理传输单元连接的以太网接口，用于操作者向整机控制及处理传输单元传输装置的参数并控制装置的工作状态。

5.根据权利要求1所述的光子相机超高速单光子成像装置，其特征在于，所述光子阵列探测器为PSPMT多阳极光电倍增管。

6.根据权利要求1所述的光子相机超高速单光子成像装置，其特征在于，所述脉冲放大器的带宽至少1GHz。