CN111584333A - 一种实现高速多幅成像的方法及光电成像器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电成像器件技术领域，公开了一种实现高速多幅成像的方法及光电成像器件，方法包括以下步骤：S1、电子束在ps～μs时间段内经过光电成像器件的扫描系统时，扫描系统采用稳态扫描方式；电子束在时间间隔为ps～μs的相邻两段ps～μs时间内经过光电成像器件的扫描系统时，采用不同的稳态扫描电压；S2、不同时间段ps～μs内的电子束运动至光电成像器件的电子图像采集或显示部件的不同位置处，呈现不同的图像；相邻两段ps～μs之间的时间间隔为光电成像器件的时间分辨率，这种实现高速多幅成像的方法及光电成像器件，实现了具有ps～μs范围内时间分辨可调、实现高空间分辨率的分幅成像探测。

Description

一种实现高速多幅成像的方法及光电成像器件

技术领域

本发明涉及光电成像技术领域，特别涉及一种实现高速多幅成像的方法及光电成像器件。

背景技术

目前在超快诊断领域内具有超高时间以及空间分辨率的光电成像设备主要有条纹相机以及分幅相机两种。条纹相机由于具有探测光谱范围宽、光谱响应灵敏度高、时间分辨率高(可以达到百飞秒数量级)以及空间分辨率高(可以达到微米数量级)等特点，被广泛应用于生物医学研究、材料学研究、核物理学研究以及地理信息等各个领域。而分幅相机同样具有最高可以达到ps量级时间分辨率以及可实现二维空间成像的超快现象诊断手段，被广泛应用于核物理学、等离子体、强场物理学等领域。

目前，条纹相机的扫描方式都采用线性扫描的方式，即具有一定斜率的斜坡扫描电压施加于位于条纹相机内部的偏转板上，使得不同时间运动至偏转板处电子束所受到的作用力不同，使得不同时间的电子束在荧光屏处的偏移量不同，从而实现了条纹相机时间信息以空间图像的方式呈现出来。但是条纹相机在实际使用过程中，都需要在阴极前设置微米～毫米数量级宽度的狭缝对光学图像的成像区域进行限制，所以同一时刻进入偏转板的电子束也具有一定尺寸的空间分布，使得经过偏转以后在荧光屏处时间间隔小的两个电子束图像发生重叠，从而降低了条纹相机在扫描方向的空间分辨率，同时也会影响狭缝方向的空间分辨率，且当条纹相机阴极狭缝尺寸越大时，此影响会更加严重。

而分幅相机通常采用在电子倍增极表面制作多条选通电极，通过改变每条选通电极的选通时间来实现分幅相机的高时间分辨功能。因此此种方案存在如下两点缺点：第一，此相机分幅图像数目由选通电极数目所决定，因此会受到电子倍增极有效尺寸以及相关制备工艺的限制，从而使得相机分幅图像数目为几幅到十几幅；第二，此相机每幅图像的成像区域也由选通电极形状所决定，器件一旦制作完成后，其成像面积的大小也将确定不能更改，若需要更改成像面积的大小，则需要重新按照新的成像要求制备新的器件。

为了实现高时间分辨、高二维空间分辨的多分幅图像探测的功能，通过对现有变像管类的光电成像器件的扫描系统的工作模式进行改变，使得在较小时间段内(ps～μs范围)电子束经过扫描系统时扫描系统实现稳态扫描功能，而不同时间段(相邻两段时间间隔ps～μs)的电子束在经过扫描系统时扫描系统调整稳态扫描参数，最终使得不同时间段内电子束运动至荧光屏不同位置处，再采用短余晖时间参数的荧光屏对电子图像再现，从而实现了具有ps～μs范围内时间分辨可调节、可实现连续二维高空间分辨率(分辨率优于25lp/mm)分幅成像探测。

发明内容

本发明提供一种实现高速多幅成像方法及光电成像器件，实现了具有ps～μs范围内时间分辨可调、实现高空间分辨率的分幅成像探测。

本发明提供了一种实现高速多幅成像的方法，包括以下步骤：

S1、电子束在ps～μs时间段内经过光电成像器件的扫描系统时，扫描系统采用稳态扫描方式；

电子束在时间间隔为ps～μs的相邻两段ps～μs时间内经过光电成像器件的扫描系统时，采用不同的稳态扫描电压；

S2、不同时间段ps～μs内的电子束运动至光电成像器件的电子图像采集或显示部件的不同位置处，呈现不同的图像；

相邻两段ps～μs之间的时间间隔为光电成像器件的时间分辨率。

所述电子图像采集或显示部件为百纳秒级余晖时间参数的荧光屏。

所述扫描系统为周期性输出二维电子束扫描系统。

所述电子图像采集或显示部件的图像采集或显示时间以及恢复时间总和小于所述扫描系统周期性输出时一个输出周期的时间。

一种实现高速多幅成像的光电成像器件，包括真空容器，真空容器上设有光学输入窗，真空容器内依次设有：

光电阴极，用于接收光子并将光子转换为电子，光电阴极设置在光学输入窗的内表面；

聚焦系统，用于控制光电阴极产生光电子的运动轨迹，实现电子束的聚焦；

扫描系统，用于改变聚焦后电子束的运动方向；

电子图像采集或显示部件，用于将电子束图像转化为人眼或者是成像器件可识别的图像；

所述聚焦系统、扫描系统和电子图像采集或显示部件的中心共轴，并连接成一体；

还包括供电系统，用于给所述光电阴极、聚焦系统、扫描系统和电子图像采集或显示部件提供所需工作电压。

所述扫描系统包括一对水平方向的平板电极，水平方向的平板电极施加扫描电压后实现对电子束上下方向的运动轨迹偏移；

一对垂直于水平方向的平板电极，施加扫描电压后实现对电子束左右方向的运动轨迹偏移；

改变水平方向平板电极和垂直于水平方向的平板电极的扫描电压的值，使得电子束可以运动至电子图像采集或显示部件的任意位置。

所述电子图像采集或显示部件为百纳秒级余晖时间参数的荧光屏或半导体电子轰击成像器件。

所述光学输入窗由玻璃材料制成，陶瓷和金属材料共同构成真空容器壁。

所述光学输入窗由石英材料、氟化镁材料或者硼硅酸盐玻璃制成，光学输入窗为平面结构或曲面结构，光学输入窗与真空容器采用高频封接、高温热封接或者铟封封接固定连接。

所述扫描系统为电扫描系统、磁扫描系统或电磁混合扫描系统，所述聚焦系统为电聚焦系统、磁聚焦系统或电磁混合聚焦系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过对现有条纹变像管类光电成像器件的扫描系统的工作模式进行改变，使得在ps～μs范围电子束经过扫描系统时扫描系统实现稳态扫描功能，而不同时间段相邻两段时间间隔ps～μs的电子束在经过扫描系统时扫描系统调整稳态扫描电压，最终使得不同时间段内电子束运动至荧光屏不同位置处，从而使电子束经过光电成像器件后实现高时间分辨率的多幅成像。

采用百纳秒级余晖时间参数的荧光屏对电子图像再现，从而实现了具有ps～μs范围内时间分辨可调、实现连续二维高空间分辨率(分辨率优于25lp/mm)分幅成像探测。

附图说明

图1为本发明提供的一种实现多幅成像的光电成像器件的原理图。

图2为本发明提供的实现多幅成像光电成像器件扫描系统结构示意图。

图3为本发明提供的实现多幅成像光电成像器件扫描系统施加电压波形图。

图4为本发明提供的两路扫描电压共同作用时电子图像分布图。

图5为本发明提供的Vsc2扫描电路的周期波形图。

附图标记说明：

1-真空容器，2-光电阴极，3-聚焦系统，4-扫描系统，5-电子图像采集或显示部件。

具体实施方式

下面结合附图1-5，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1所示，本发明所提出的具有实现多幅成像的光电成像器件包括：由玻璃、陶瓷以及金属材料所构成的真空容器，玻璃材料作为光学输入窗，陶瓷材料以及金属材料共同构成真空容器壁；在玻璃内表面制备用来接收光子并将其转换为电子的光电阴极；用来控制所述光电阴极产生光电子运动轨迹的聚焦系统；用来控制通过聚焦系统后电子束发生垂直于器件轴线方向偏移的扫描系统；用来收集经过扫描系统后发生偏移后电子图像采集或者显示部件；用来供电给所述光阴极、聚焦系统、扫描系统、电子图像采集或者显示部件的供电极以及支撑它们的支撑柱；用来提供所述光电阴极、聚焦系统、电子图像采集或者显示部件所需工作电压的供电系统；用来驱动所述扫描系统的扫描电源；所述聚焦系统、扫描系统置于所述真空容器内；所述电子图像采集或者显示部件全部或者部分置于所述真空容器内；所述电极通过真空容器壁所预留电极引线与外部电路相连；所述聚焦系统、扫描系统、电子图像采集或者显示部件的中心共轴，并与供电极以及支撑它们的支撑柱连接成一体。

所述光学输入窗材料视探测信号光波长特性以及阴极响应波长范围可以是石英材料、氟化镁材料或者硼硅酸盐玻璃等材料。光学输入窗形状可以为平面结构，也可以为曲面结构。输入窗与真空管体采用高频封接、高温热封接或者铟封封接等方式。

所述光电阴极前设置光学狭缝或光阑等实现光学图像分区或者光学图像调制的元器件。

所述聚焦系统用来改变电子束的运动轨迹，实现电子束的聚焦，以实现多幅成像光电成像器件较高的时空分辨率，同时根据实际需求，通过聚焦系统的电极结构以及电气参数实现多幅成像光电成像器件的电子图像的放大倍率。所述聚焦系统可以为电聚焦系统，也可以为磁聚焦系统，可以为电磁混合聚焦系统，也可以为除上述三种聚焦系统外的其他聚焦系统。

所述扫描系统用于将聚焦后电子束的运动方向进行改变，使的在较小时间段内(ps～μs皮秒～微妙范围)电子束经过扫描系统时扫描系统实现稳态扫描功能，而不同时间段(相邻两段时间间隔ps～μs皮秒～微妙)的电子束在经过扫描系统时扫描系统的稳态扫描参数不同，最终使得不同时间段内电子束运动至所述电子图像采集或者显示部件不同位置处，从而在所述电子图像采集或者显示部件不同位置呈现成不同时间段的二维高分辨率图像，而相邻两个时间段的时间间隔为此光电成像器件的时间分辨率。所述扫描系统可以为电扫描系统，也可以为磁扫描系统，可以为电磁混合扫描系统，也可以为除所述三种扫描系统外的其他扫描系统。

所述扫描系统在扫描电路驱动下可实现二维电子束扫描功能。

所述扫描系统的扫描电路可实现周期性输出，以实现多幅成像光电成像器件连续成像功能。

所述电子图像采集或者显示部件用于将电子束图像转化为人眼或者是通用成像器件可识别的图像。电子图像采集或者显示部件可以为荧光屏，也可以是半导体电子轰击成像器件，也可以是其他可用于电子束成像器件。

所述电子图像采集或者显示部件图像采集或者显示时间以及器件恢复时间总和ns～s小于所述扫描电路周期性输出时的一个输出周期时间，使得所述电子图像采集或者显示部件最后一个成像区域在采集或者显示电子束成像时，其第一个成像区域已完成相应的功能并完成相应的初始状态恢复，以实现多幅成像光电成像器件连续成像功能。

如图2所示，本发明第一实施例的具有实现多幅成像的光电成像器件扫描系统结构示意图，扫描系统由两对平行板电极所构成，同时施加两路扫描电路至两对平板电极。施加Vsc1扫描电压至水平方向的平板电极，使电子束实现上下方向的运动轨迹偏移，施加Vsc2扫描电压至垂直于水平方向的平板电极，使电子束实现左右方向的运动轨迹偏移，改变两个扫描电压的电压值，实现对电子束的二维扫描，使得电子束可以运动至电子图像采集或者显示部件的任意位置。

图3为两路扫描电压周期性输出波形图。其中Vsc1扫描电压的一个完整周期时间为t2n，其包含了电压上升阶段和下降阶段两个部分，两个部分具有很好的电压对称性。上升阶段中在t1时刻起输出电压值为V1，在t2时刻起输出电压值为V2，在tn时刻起输出电压值为Vn，而处于下降阶段使tn+1时刻起输出电压值为Vn，在tn+2时刻起输出电压值为Vn-1，在t2n时刻起输出电压值为V1。另一路扫描电压Vsc2的扫描电压变化间隔时间为tn，且在一个输出周期内呈线性增长的趋势。两路扫描电路的共同作用使得电子束t1、t2、t3........tn时刻图形呈线性排列的方式呈现于电子图像采集或者显示部件。

图4为在两路扫描电压共同驱动时在一个成像周期内电子图像采集或者显示部件处电子束图像的分布图。其中在第一个tn时间段内，t1、t2、t3........tn时刻电子图形从上至下依次排列于电子图像采集或者显示部件最左侧(第一列)。在第二个tn时间段内，电子束图像按照时间的先后序列从下至上依次排列于电子图像采集或者显示部件靠近第一列(此列为第二列)位置。在第三个tn时间段内，电子束图像按照时间的先后序列从上至下依次排列于电子图像采集或者显示部件靠近第二列(此列为第三列)位置。依次成像的方式直至电子图像采集或者显示部件有效面都由图像覆盖为止，此时多幅成像光电成像器件的一个成像周期(tmn)完成，其中m表示在一个成像周期中电子图像采集或者显示部件有效面所有图像的总列数，m表示在电子图像采集或者显示处每一列种存在图像区域的总个数，与上述tn参数中的n具有相同的数值。

图5为在多幅成像光电成像器件一个成像周期内Vsc2扫描电路的周期波形图，其输出周期为tmn。

本发明通过对现有条纹变像管类光电成像器件的扫描系统的工作模式进行改变，使得在较小时间段内(ps～μs范围)电子束经过扫描系统时扫描系统实现稳态扫描功能，而不同时间段(相邻两段时间间隔ps～μs)的电子束在经过扫描系统时扫描系统调整稳态扫描参数，最终使得不同时间段内电子束运动至荧光屏不同位置处，再采用百纳秒级余晖时间参数的荧光屏对电子图像再现，从而实现了具有ps～μs范围内时间分辨可调、实现连续二维高空间分辨率(分辨率优于25lp/mm)分幅成像探测。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种实现高速多幅成像的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、电子束在ps～μs时间段内经过光电成像器件的扫描系统时，扫描系统采用稳态扫描方式；

电子束在时间间隔为ps～μs的相邻两段ps～μs时间内经过光电成像器件的扫描系统时，采用不同的稳态扫描电压；

S2、不同时间段ps～μs内的电子束运动至光电成像器件的电子图像采集或显示部件的不同位置处，呈现不同的图像；

相邻两段ps～μs之间的时间间隔为光电成像器件的时间分辨率。

2.如权利要求1所述的实现高速多幅成像的方法，其特征在于，所述电子图像采集或显示部件为百纳秒级余晖时间参数的荧光屏。

3.如权利要求1所述的实现高速多幅成像的方法，其特征在于，所述扫描系统为周期性输出二维电子束扫描系统。

4.如权利要求3所述的实现高速多幅成像的方法，其特征在于，所述电子图像采集或显示部件的图像采集或显示时间以及恢复时间总和小于所述扫描系统周期性输出时一个输出周期的时间。

5.如权利要求1-4任一权利要求所述的实现高速多幅成像的方法使用的实现高速多幅成像的光电成像器件，其特征在于，包括真空容器(1)，真空容器(1)上设有光学输入窗，真空容器(1)内依次设有：

光电阴极(2)，用于接收光子并将光子转换为电子，光电阴极设置在光学输入窗的内表面；

聚焦系统(3)，用于控制光电阴极(2)产生光电子的运动轨迹，实现电子束的聚焦；

扫描系统(4)，用于改变聚焦后电子束的运动方向；

电子图像采集或显示部件(5)，用于将电子束图像转化为人眼或者是成像器件可识别的图像；

所述聚焦系统(3)、扫描系统(4)和电子图像采集或显示部件(5)的中心共轴，并连接成一体；

还包括供电系统，用于给所述光电阴极(2)、聚焦系统(3)、扫描系统(4)和电子图像采集或显示部件(5)提供所需工作电压。

6.如权利要求5所述的实现高速多幅成像的光电成像器件，其特征在于，所述扫描系统包括一对水平方向的平板电极，水平方向的平板电极施加扫描电压后实现对电子束上下方向的运动轨迹偏移；

一对垂直于水平方向的平板电极，施加扫描电压后实现对电子束左右方向的运动轨迹偏移；

改变水平方向平板电极和垂直于水平方向的平板电极的扫描电压的值，使得电子束可以运动至电子图像采集或显示部件的任意位置。

7.如权利要求5所述的实现高速多幅成像的光电成像器件，其特征在于，所述电子图像采集或显示部件为百纳秒级余晖时间参数的荧光屏或半导体电子轰击成像器件。

8.如权利要求5所述的实现高速多幅成像的光电成像器件，其特征在于，所述光学输入窗由玻璃材料制成，陶瓷和金属材料共同构成真空容器壁。

9.如权利要求5所述的实现高速多幅成像的光电成像器件，其特征在于，所述光学输入窗由石英材料、氟化镁材料或者硼硅酸盐玻璃制成，光学输入窗为平面结构或曲面结构，光学输入窗与真空容器采用高频封接、高温热封接或者铟封封接固定连接。

10.如权利要求5所述的实现高速多幅成像的方法，其特征在于，所述扫描系统为电扫描系统、磁扫描系统或电磁混合扫描系统，所述聚焦系统为电聚焦系统、磁聚焦系统或电磁混合聚焦系统。

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