CN109540302A - 基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统 - Google Patents

基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统 Download PDF

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姜忠志
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Abstract

本发明实施例公开了一种基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统。该基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统包括用于产生激光脉冲并用激光脉冲对目标进行均匀照明的激光发射模块，用于接收目标反射所述激光脉冲的光从而对目标进行成像的光学接收模块，用于接收光学接收模块所成像的光子信号并记录光子信号的二维位置和从光子信号从所述激光发射模块发出至反射落在探测器模块上的飞行时间的探测器模块，用于接收探测器模块输出的电信号并将电信号进行解析成像的上位机成像软件模块。该基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统充分发挥交叉条形阳极探测器在微光探测方面的优势，可实现高空间分辨率的三维成像。

Description

基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统
技术领域
本发明涉及激光三维成像的技术领域，具体涉及一种基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统。
背景技术
面阵激光三维成像系统通过测量光子飞行时间来得到目标的深度信息，通过探测器的位置敏感特性来获得目标的二维位置信息，将深度信息和二维位置信息结合，可得到目标的三维信息。相比于单点扫描式三维成像系统，面阵激光三维成像系统减少了机械扫描装置，从而减少了三维成像系统的体积和复杂度以及由此产生的误差。单光子三维成像系统可以在光子量级的信号强度下工作，是传统激光三维成像系统的一个重要发展方向。基于微通道板的位敏阳极探测器能够对微弱的光子源进行二维成像，具有计数率高、空间分辨率高、响应速度快等特点。基于微通道板的位敏阳极探测器是空间紫外探测领域的主流探测器。单光子三维成像系统采用基于微通道板的位敏阳极探测器需要较高的制造成本，需要依赖探测器的空间分辨率、计数率及响应等特性。
针对现有技术中基于微通道板的位敏阳极探测器的单光子三维成像所存在的制造成本及依赖探测器性能等问题，急需一种能够降低制造成本及具有较高性能探测器的基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统。
发明内容
针对现有技术中基于微通道板的位敏阳极探测器的单光子三维成像所存在的制造成本及依赖探测器性能等问题，本发明实施例提供一种能够降低制造成本及具有较高性能探测器的基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统。该基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统采用交叉条形阳极探测器，可以充分发挥交叉条形阳极探测器在微光探测方面的优势，结合时间相干单光子计数算法或者首光子算法，可实现高空间分辨率的三维成像。
该基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统的具体方案如下：一种基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统，包括：激光发射模块，用于产生激光脉冲并用所述激光脉冲对目标进行均匀照明；光学接收模块，用于接收目标反射所述激光脉冲的光，从而对所述目标进行成像；探测器模块，用于接收所述光学接收模块所成像的光子信号，并记录所述光子信号的二维位置和从所述光子信号从所述激光发射模块发出至反射落在所述探测器模块上的飞行时间；上位机成像软件模块，用于接收所述探测器模块输出的电信号并将所述电信号进行解析成像。
优选地，所述激光发射模块包括：皮秒激光器，用于产生皮秒量级的激光脉冲；分光镜，设置在所述皮秒激光器前方，用于将所述激光脉冲进行分束，将所述激光脉冲分成参考信号和照明信号；激光发射镜组，设置在所述分光镜的前方，用于对所述照明信号进行整形聚波。
优选地，所述光学接收模块包括：成像镜组，用于接收经过目标反射后的激光脉冲信号；窄带滤波片，设置在所述成像镜组的前方，用于透过特定频率带的激光。
优选地，所述探测器模块包括：探测器前端，用于进行光电转换并在阳极条带上产生感应电荷脉冲；阳极信号采集电路，用于连接所述各个交叉条形阳极且进行信号采集；时间测量电路，用于接收探测器光子信号和激光发射模块的参考信号，从而计算光子信号从激光发射模块发出至反射落在探测器模块上的飞行时间；数据传输电路，用于将二维位置信号和光子飞行时间信号传输至上位机的。
优选地，所述探测器前端包括光阴极、微通道板和交叉条形阳极。
优选地，所述阳极信号采集电路包括对探测器前端的交叉条形阳极信号进行整形放大并转换成数字信号的单元。
优选地，所述时间测量电路的飞行时间为数字化形式。
优选地，所述时间测量电路的一个输入端连接所述探测器前端，所述时间测量电路的另一个输入端连接所述激光发射模块中的参考信号发出端。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例所提供的基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统，采用面阵型的探测器，不需要扫描，简化了三维成像系统的结构和体积，增强了三维成像系统稳定性。本发明实施例所提供的基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统所采用的探测器模块为交叉条形阳极探测器，交叉条形阳极探测器具有空间分辨率高、计数率高和响应快等特点，可以充分发挥交叉条形阳极探测器在微光探测方面的优势，结合时间相干单光子计数算法或者首光子算法，基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统不仅可以实现高空间分辨率三维成像，还可以获得目标的反射光波形以及反射率等更多目标信息。本发明实施例所提供的基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统通过采用交叉条形阳极探测器，与传统的基于微通道板的位敏阳极探测器相比，具有更易制造和具有更好性能的特点。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统的结构示意图。
附图中标号说明：
100、三维成像系统 1、激光发射模块 2、皮秒激光器
3、分光镜 4、激光发射镜组 5、参考信号
6、目标 7、光学接收模块 8、光学接收镜组
9、窄带滤光片 10、探测器模块 11、探测器前端
12、时间测量电路 13、阳极信号采集电路 14、数据传输电路
15、上位机成像软件模块
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明实施例涉及到光路，因此，在本发明中前方、后方都是以光路的光的走向为基准进行判断的。例如，光路会穿过第一器件和第二器件，且光先穿过第一器件，后穿过第二器件，则定义：第一器件位于第二器件的后方，第二器件位于第一器件的前方。
如图1所示，本发明实施例中提供的一种基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统的结构示意图。一种基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统100包括：用于产生激光脉冲并用激光脉冲对目标6进行均匀照明的激光发射模块1，用于接收目标反射所述激光脉冲的光从而对目标6进行成像的光学接收模块7，用于接收光学接收模块7所成像的光子信号并记录光子信号的二维位置和从光子信号从所述激光发射模块1发出至反射落在探测器模块10上的飞行时间的探测器模块10，用于接收探测器模块10输出的电信号并将电信号进行解析成像的上位机成像软件模块15。
在该实施例中，激光发射模块1包括：用于产生皮秒量级的激光脉冲的皮秒激光器2，设置在皮秒激光器2前方且用于将所述激光脉冲进行分束成参考信号5和照明信号的分光镜3，设置在分光镜3的前方且用于对所述照明信号进行整形聚波的激光发射镜组4。激光发射镜组4将照明信号整形聚波后均匀照射在目标物上。光子在目标6上反射进入光学接收模块7。
光学接收模块7包括：用于接收经过目标6反射后的激光脉冲信号的成像镜组8，设置在成像镜组8的前方且用于透过特定频率带的激光的窄带滤波片9。光子经光学接收模块7的成像镜组8和窄带滤波片9后落在探测器前端11。
探测器模块10包括：用于进行光电转换并在阳极条带上产生感应电荷脉冲的探测器前端11，用于连接所述各个交叉条形阳极且进行信号采集的阳极信号采集电路13，用于接收探测器光子信号和激光发射模块的参考信号，从而计算光子信号从激光发射模块发出至反射落在探测器模块上的飞行时间的时间测量电路12，用于将二维位置信号和光子飞行时间信号传输至上位机的数据传输电路14。
在该实施例中，探测器前端11包括光阴极、微通道板和交叉条形阳极，从而完成光电转换并在阳极条带产生感应电荷脉冲。阳极信号采集电路13包括对探测器前端的交叉条形阳极信号进行整形放大并转换成数字信号的单元。时间测量电路12的一个输入端连接所述探测器前端11，时间测量电路12的另一个输入端连接激光发射模块1中的参考信号5发出端。进一步地，时间测量电路12的飞行时间为数字化形式。
上位机成像软件模块15主要接收探测器模块10输出的电信号并将电信号进行解析成像。上位机成像软件模块15中具体可以采用时间相干单光子计数算法或者首光子算法将电信号解析成像。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例所提供的基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统，采用面阵型的探测器，不需要扫描，简化了三维成像系统的结构和体积，增强了三维成像系统稳定性。
本发明实施例所提供的基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统所采用的探测器模块为交叉条形阳极探测器，交叉条形阳极探测器具有空间分辨率高、计数率高和响应快等特点，可以充分发挥交叉条形阳极探测器在微光探测方面的优势，结合时间相干单光子计数算法或者首光子算法，基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统不仅可以实现高空间分辨率三维成像，还可以获得目标的反射光波形以及反射率等更多目标信息。
本发明实施例所提供的基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统通过采用交叉条形阳极探测器，与传统的基于微通道板的位敏阳极探测器相比，具有更易制造和具有更好性能的特点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统，其特征在于，所述三维成像系统包括：
激光发射模块，用于产生激光脉冲并用所述激光脉冲对目标进行均匀照明；
光学接收模块，用于接收目标反射所述激光脉冲的光，从而对所述目标进行成像；
探测器模块，用于接收所述光学接收模块所成像的光子信号，并记录所述光子信号的二维位置和从所述光子信号从所述激光发射模块发出至反射落在所述探测器模块上的飞行时间；
上位机成像软件模块，用于接收所述探测器模块输出的电信号并将所述电信号进行解析成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统，其特征在于，所述激光发射模块包括：
皮秒激光器，用于产生皮秒量级的激光脉冲；
分光镜，设置在所述皮秒激光器前方，用于将所述激光脉冲进行分束，将所述激光脉冲分成参考信号和照明信号；
激光发射镜组，设置在所述分光镜的前方，用于对所述照明信号进行整形聚波。
3.根据权利要求1所述的一种基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统，其特征在于，所述光学接收模块包括：
成像镜组，用于接收经过目标反射后的激光脉冲信号；
窄带滤波片，设置在所述成像镜组的前方，用于透过特定频率带的激光。
4.根据权利要求1所述的一种基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统，其特征在于，所述探测器模块包括：
探测器前端，用于进行光电转换并在阳极条带上产生感应电荷脉冲；阳极信号采集电路，用于连接所述各个交叉条形阳极且进行信号采集；
时间测量电路，用于接收探测器光子信号和激光发射模块的参考信号，从而计算光子信号从激光发射模块发出至反射落在探测器模块上的飞行时间；
数据传输电路，用于将二维位置信号和光子飞行时间信号传输至上位机的。
5.根据权利要求4所述的一种基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统，其特征在于，所述探测器前端包括光阴极、微通道板和交叉条形阳极。
6.根据权利要求4所述的一种基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统，其特征在于，所述阳极信号采集电路包括对探测器前端的交叉条形阳极信号进行整形放大并转换成数字信号的单元。
7.根据权利要求4所述的一种基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统，其特征在于，所述时间测量电路的飞行时间为数字化形式。
8.根据权利要求4所述的一种基于交叉条形阳极探测器的单光子三维成像系统，其特征在于，所述时间测量电路的一个输入端连接所述探测器前端，所述时间测量电路的另一个输入端连接所述激光发射模块中的参考信号发出端。
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