專利名稱：單光子計數(shù)成像儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種極微弱光信號探測的光子計數(shù)成像儀，具體涉及一種用于 空間極微弱紫外光信息探測的單光子計數(shù)成像儀。
背景技術(shù)：
目前，在很多領(lǐng)域?qū)τ跇O微弱光測量的要求不斷增強，微弱光探測技術(shù)越 來越受到重視。微弱光像增強技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)取得了一些發(fā)展，例如像增強 器可以實現(xiàn)低照度目標探測；但是對于更低照度領(lǐng)域的應(yīng)用，這些儀器的性能 滿足不了要求，例如天文觀測、空間極微弱光探測、生物熒光發(fā)光等極弱光 現(xiàn)象的研究。在這些極微弱光探測中，需要通過探測單個光子的成像位置，通 過一定時間積分和處理后才能獲得完整的圖像。這些領(lǐng)域應(yīng)用的需求促成了光 子計數(shù)成像計數(shù)技術(shù)的誕生和發(fā)展。
目前，用常規(guī)的弱光成像器件，例如像增強器，ICCD等，沒有單光子計 數(shù)模式，所以探測不到極微弱的光信號；用光電倍增管(PMT)只能實現(xiàn)單光子 計數(shù)；而用陣列光電倍增管實現(xiàn)單光子計數(shù)成像的方式很復雜，分辨率也不高； 而對于用光子計數(shù)型電荷耦合器件(CCD)，采樣了多個像元，每個象素對應(yīng)一 個入射光子相應(yīng)產(chǎn)生計數(shù)，通常采用多幀疊加，要求高幀速，否則計數(shù)率低， 并且需要復雜的內(nèi)部電路，實用性不好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種單光子計數(shù)成像儀。
本發(fā)明可以實現(xiàn)單個電子、離子、帶電粒子、光子的探測，通過對每個電 子、離子、帶電粒子、光子事件的位置解碼后，既可以用作到達時刻的時間標 記讀出，也可以將一個周期內(nèi)積分的總圖像一并讀出，實現(xiàn)極微弱目標單光子 計數(shù)及二維成像探測，不僅具有單光子計數(shù)功能，而且能夠?qū)O微弱發(fā)光目標 進行二維成像的特點。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 一種單光子計數(shù)成像探測裝置，包括殼體l，設(shè)
置于殼體l內(nèi)的光學窗口 2、微光像增強管3、前置放大器5、放大整形電路6、
數(shù)據(jù)采集裝置7、圖像處理裝置8、計算機9;顯示器IO、打印機ll、高壓電
源12;所述的高壓電源12通過高壓引線33與微光像增強管3連接；所述的顯 示器10、圖像處理裝置8、打印機11分別與計算機9連接，其特殊之處在于
所述的微光像增強管3與前置放大器5之間還設(shè)置有陽極收集器4，所述的陽極 收集器4包括石英玻璃襯底42、鍍在襯底42上的電極41以及信號引線43，所 述的陽極41通過信號引線43與前置放大器5連接；所述的微光像增強管3包 括沿光路依次設(shè)置的光電陰極31以及與光電陰極31連接的微通道板32。
上述的陽極收集器32包括W、 S、 Z三個電極，上述的三個電極相互絕緣， 絕緣線寬度為20 30um。
上述的微通道板32為兩塊或三塊級聯(lián)為佳。
上述的電極41以金電極為宜。
上述的金電極的導電層厚度為2 u m。
上述的襯底42為石英玻璃或陶瓷，厚度2mm 3mm。
還包括支架13，上述的微通道板32與陽極收集器4固定于支架13上。
上述的微通道板32與陽極收集器4之間的距離為7 11mm。
上述的前置放大器5和放大整形電路6電磁屏蔽后，緊密排列并置于殼體1之后。
上述的殼體1為屏蔽金屬殼體，所述的屏蔽金屬殼體具有一個真空內(nèi)腔。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點
1) 大面陣。傳統(tǒng)CCD焦平面通常為l/3，l/2，2/3英寸，需要大面陣CCD通 常要采取拼接方案，而本儀器中的陽極收集器根據(jù)需求，可以任意設(shè)計和加工， 無需拼接。
2) 高靈敏度、大動態(tài)范圍。本系統(tǒng)采用2塊或3塊微通道板32級聯(lián)，增 益達到106 108，可以大大提高靈敏度和動態(tài)范圍。
3) 暗計數(shù)低。采用微通道板32級聯(lián)方案，有效降低離子反饋，從而有效 降低暗計數(shù)，目前暗計數(shù)低于0. 2counts. cm—2 . s—1 。
4) 分辨率高。本單光子計數(shù)成像儀采用連續(xù)陽極解碼光子事件，空間分辨 率主要受到電子讀出系統(tǒng)的電子噪聲影響，采用低噪聲電荷靈敏前置放大器對 信號進行放大，通過電子讀出系統(tǒng)的優(yōu)化，可以大大降低電子噪聲的影響，從
而有效提高空間分辨率，目前空間分辨率可達30 50 y m。
5)成像線性度好實時測量處理。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖2為本發(fā)明的陽極收集器結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明對針孔掩模板的單光子計數(shù)成像效果圖。
圖4為本發(fā)明的圖像處理裝置流程圖
附圖標號說明
l一殼體；2—光學窗口； 3—微光像增強管；31—光電陰極；32—微通道板; 33—高壓引線；4一陽極收集器；41—陽極；42—襯底；43—信號引線；5—前 置放大器；6—放大整形電路；7—數(shù)據(jù)采集裝置；8—圖像處理裝置；9一計算 機；IO—顯示器；ll一打印機；12—高壓電源；13—支架。
具體實施例方式
本本發(fā)明的原理及工作過程
單光子計數(shù)法利用在弱光下光電信號自然離散化的特點，采用精密的脈沖 幅度甄別技術(shù)和數(shù)字計數(shù)技術(shù)，可把淹沒在背景噪聲中的弱光信號提取出來。 具體地當弱光照射到光電子陰極時，每個入射光子以一定的概率(即量子效率) 使光電陰極31發(fā)射一個電子，這個光電子經(jīng)倍增系統(tǒng)的倍增最后在陽極回路中 形成一個電流脈沖，通過負載電阻形成一個電壓脈沖，這個脈沖稱為單光子脈 沖。
經(jīng)微通道板32倍增后的電子云(電子束團)被陽極收集器4收集，陽極收 集器4面板共有W， S， Z三個電極，參見附圖2。
在陽極W， S， Z三個電極引線分別連接有前置放大器5，前置放大器5輸出 信號經(jīng)過主放大器成形后通過數(shù)字采集裝置7采集，在計算機9上存儲處理。 通過計算輸出電荷比例決定電子云在陽極面板上的質(zhì)心位置。
位置解碼算法為<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula>
x=H必 Xf是串擾的修正系數(shù)，它和電子收集區(qū)之間的電容耦合相關(guān)。
陽極收集器4的設(shè)計采用微電子平面工藝，在石英玻璃基片上鍍金，通過 光刻得到金電極。為了提高靈敏度，陽極收集器4陽極導電層采用金。陽極收 集器4陽極制作需要先在經(jīng)過處理的基板(石英玻璃、陶瓷)上涂敷光刻膠， 然后將基片進行前烘，再用輻射源曝光，曝光后經(jīng)顯影、漂洗、后烘、蝕刻、 去膠等加工工序。經(jīng)過這一整套工序后就可以在基片上形成與掩模具有相同圖 像信息的幾何線條圖形。
參見圖l，光學窗口2，用于輸入來自目標的光子，微光像增強管3用作光 電轉(zhuǎn)換及電子增強，通過所述光學窗口 2接收所述光子；光電子經(jīng)級聯(lián)微通道 板32組件倍增形成電子云，由陽極收集器4收集，再通過信號電極將信號引出， 電極將獲取的信號輸出；通過前置放大器5將信號放大、再通過放大整形電路6 將信號做進一步放大整形；數(shù)據(jù)采集裝置7負責把3路信號進行采集，并把結(jié) 果數(shù)字化，得到三路數(shù)字信號，傳給計算機9進行存儲、顯示、通過圖像處理 裝置8進行實時處理，將三路結(jié)果相加，得到一個數(shù)據(jù)作為閾置，判斷數(shù)據(jù)是 否是事件，如果是事件，則進行有效處理，通過位置解碼算出該事件的幾何位 置X， Y坐標，映射到圖像對應(yīng)象素，賦予相應(yīng)的灰度；這樣， 一定時間的積分 (曝光)就實現(xiàn)了單光子計數(shù)和成像，參見圖3。
本發(fā)明利用波形數(shù)字化技術(shù)，將數(shù)據(jù)采集裝置采集到的三路主放的輸出電 壓信號(分別對應(yīng)W、 S、 Z三個電極)在圖像積分時間內(nèi)進行連續(xù)采樣并輸送 至主機內(nèi)存。采用乒乓技術(shù)，從主機內(nèi)存資源中劃分出4塊大小一樣、連續(xù)的 內(nèi)存塊。當?shù)谝粔K內(nèi)存存儲完畢后，數(shù)據(jù)采集裝置就向第二塊內(nèi)存塊傳送采樣 數(shù)據(jù)，同時開始對第一塊內(nèi)存中的采樣數(shù)據(jù)進行處理，依此類推，周而復始。 數(shù)據(jù)處理的算法包括滑動平均降噪、峰值檢測、圖像還原與校正等。
圖像處理裝置包括單光子計數(shù)成像計算機程序，滑動平均降噪、峰值檢測、 圖像還原與校正算法。
參見圖4，圖像處理過程包括以下步驟
1. 啟動單光子計數(shù)成像計算機程序。
2. 設(shè)置有關(guān)參數(shù)，比如圖像積分時間、圖像象素(一般有200X200， 300 X300， 512X512, 1024X1024)、設(shè)置閾置、設(shè)置采樣速率、設(shè)置圖像矯正參數(shù)等。
3. 觸發(fā)數(shù)據(jù)采集裝置開始采集數(shù)據(jù)，并開始記時。
4. 從主機內(nèi)存依次讀取數(shù)據(jù)，進行峰值檢測。
5. 檢測到峰值后，進行閾置判斷，如果在閾置范圍則進行后續(xù)處理，否則
返回4。
6. 通過位置解碼算法，計算出光子事件位置坐標(X， Y)。
7. 判斷該事件是否有效，如果有效則賦予圖像相應(yīng)象素一定灰度。
8. 判斷圖像積分時間是否結(jié)束，如果沒有，返回峰值檢測4，繼續(xù)處理。
9. 如果圖像積分時間結(jié)束，進行圖像矯正，輸出單光子計數(shù)灰度圖像，結(jié)
束任務(wù)。
微光像增強管安裝在殼體1中，殼體1抽成真空，外部用金屬材料作為屏 蔽。微通道板32通過電極和提供高壓，2塊微通道板32高壓一般為1800V。前 置放大器5用于放大從陽極收集器4輸出的信號，通過信號引線43與之連接。 為了保證處理電路的高頻特性，又有效降低噪聲水平，將前置放大器34和放大 整形電路35盡可能緊湊的方式裝在殼體1的后面，并做好電磁屏蔽。
微通道板32在一定的高壓下才能工作，單塊微通道板32的工作電壓一般 為800 1000V，陽極收集器4陽極相對微通道板32輸出面也必須具有一定的電 位，這樣才能使微通道板32出來的電子云正常地打在上面，有利于陽極收集電 子，不使電子云中心發(fā)生畸變。本新型采用2塊微通道板32級聯(lián)，因此需要微 通道板32正常工作需要1800V 2000V左右的直流穩(wěn)壓電源，穩(wěn)壓電源采用模 塊化微型高壓電源12，要求電源穩(wěn)定性高，紋波系數(shù)小。將高壓電源8各部分 功能電路分別封裝，做了高壓絕緣及屏蔽處理后，組裝在機箱里，輸出電壓值 由前面板數(shù)字表頭直接顯示。
放大器的功能是把光電子脈沖和噪聲脈沖線性放大，從雙微通道板32出來 的電子脈沖上升時間《3ns,這就要求放大大器的通頻帶寬達到100MHz，并且有 較寬的線性動態(tài)范圍和較低的熱噪聲。
該成像儀要設(shè)計一個合理的支架13用來固定兩塊V型級聯(lián)微通道板32和 陽極收集器4，主要要求有
1)機械固定的松緊合適，既要保證微通道板32和4陽極收集器4的位置 固定牢靠，電極接觸良好，又不要壓得太緊或者太松，壓得太緊會把微通道板
32壓裂，太松會造成電極接觸不好，局部電流過大甚至放電而損壞MCP;
2) 結(jié)構(gòu)緊湊對信號有屏蔽功能，尤其是對快信號。不過WSZ陽極和MCP之 間的距離要適當，太遠會影響分辨率，太近會增大WSZ陽極和微通道板32之間 的分布電容，影響快信號質(zhì)量，它們之間的距離一般保持在7 llmm為好；
3) 微通道板32容易損壞，需要更換，所以拆裝要方便重復性要好，另外 與微通道板32接觸的電極要光滑，有彈性，保證導電性能良好，兩塊微通道板 32之間有出氣的縫隙，以及安裝過程要在很干凈的環(huán)境中進行，以防空氣中的 灰塵落在微通道板32表面上嚴重影響使用或引起局部擊穿。
通過探測三路電極輸出電荷量的比例確定電子云的質(zhì)心位置，因此電子讀出 系統(tǒng)的關(guān)鍵是如何得到準確的三路信號的電荷量。由于探測器輸出的信號幅度 較小(幾十毫伏)，需要對信號進行放大，然后再進行處理測量。探測器與放 大器連接的傳輸線越長，分布電容就越大，信噪比越小。此外，也容易受到外 界的干擾，為了減少探測器輸出端到放大器輸入端之間分布電容的影響以及信 號在這段路程傳輸過程中受到外界的干擾，提高信噪比，通常把信號放大部分 分為前置放大器5和放大整形電路6兩部分。
本發(fā)明單光子計數(shù)成像儀能探測單個電子、離子、帶電粒子、光子，通過 對每個電子、離子、帶電粒子、光子事件的位置解碼后，既可以用作到達時刻 的時間標記讀出，也可以將一個周期內(nèi)積分的總圖像一并讀出。實現(xiàn)對弱光成 像和紫外、極紫外波段等的成像探測。
單本領(lǐng)域中的技術(shù)人員知道，可以根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計思路做出不同的變形， 例如采用不同的光電陰極，可以衍生出紫外單光子計數(shù)成像儀、可見光單光子 計數(shù)成像儀、紅外單光子計數(shù)成像儀等，而不受所公布的實施例子的限制，這 些變形都沒有超出本發(fā)明的權(quán)利要求請求保護的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種單光子計數(shù)成像探測裝置，包括殼體(1)，設(shè)置于殼體(1)內(nèi)的光學窗口(2)、微光像增強管(3)、前置放大器(5)、放大整形電路(6)、數(shù)據(jù)采集裝置(7)、圖像處理裝置(8)、計算機(9)；顯示器(10)、打印機(11)、高壓電源(12)；所述的高壓電源(12)通過高壓引線(33)與微光像增強管(3)連接；所述的顯示器(10)、圖像處理裝置(8)、打印機(11)分別與計算機(9)連接，其特征在于所述的微光像增強管(3)與前置放大器(5)之間還設(shè)置有陽極收集器(4)，所述的陽極收集器(4)包括襯底(42)、鍍在襯底(42)上的電極(41)以及信號引線(43)，所述的陽極(41)通過信號引線(43)與前置放大器(5)連接；所述的微光像增強管(3)包括沿光路依次設(shè)置的光電陰極(31)以及與光電陰極(31)連接的微通道板(32)。
2. 根據(jù)權(quán)利1所述的單光子計數(shù)成像儀，其特征在于所述的陽極收集器(4) 包括W、 S、 Z三個電極，所述的三個電極相互絕緣，絕緣線寬度為20 30ym。
3. 根據(jù)權(quán)利1所述的單光子計數(shù)成像儀，其特征在于所述的微通道板(32) 為兩塊或三塊。
4. 根據(jù)權(quán)利1 3任一所述的單光子計數(shù)成像儀，其特征在于:所述的電極(41) 為金電極。
5. 根據(jù)權(quán)利4所述的單光子計數(shù)成像儀，其特征在于所述的金電極的導電 層厚度為2um。
6. 根據(jù)權(quán)利5所述的單光子計數(shù)成像儀，其特征在于所述的襯底(42)為 石英玻璃或陶瓷等。
7. 根據(jù)權(quán)利6所述的單光子計數(shù)成像儀，其特征在于還包括支架(13)，所 述的微通道板(32)與陽極收集器(4)固定于支架(13)上。
8. 根據(jù)權(quán)利7所述的單光子計數(shù)成像儀，其特征在于所述的微通道板(32) 與陽極收集器(4)之間的距離為7 11mm。
9. 根據(jù)權(quán)利8所述的單光子計數(shù)成像儀，其特征在于所述的前置放大器(5) 和放大整形電路(6)電磁屏蔽后，緊密排列并置于殼體(1)之后。
10. 根據(jù)權(quán)利9所述的單光子計數(shù)成像儀，其特征在于所述的殼體(1)為 屏蔽金屬殼體，所述的屏蔽金屬殼體具有一個真空內(nèi)腔。
全文摘要
一種單光子計數(shù)成像探測裝置，其高壓電源通過高壓引線與微光像增強管連接；顯示器、圖像處理裝置、打印機分別與計算機連接，微光像增強管與前置放大器之間還設(shè)置有陽極收集器，陽極收集器包括襯底鍍在襯底上的電極以及信號引線，陽極通過信號引線與前置放大器連接；微光像增強管包括沿光路依次設(shè)置的光電陰極以及與光電陰極連接的微通道板。本發(fā)明既可以用作到達時刻的時間標記讀出，也可以將一個周期內(nèi)積分的總圖像一并讀出，實現(xiàn)極微弱目標單光子計數(shù)及二維成像探測，不僅具有單光子計數(shù)功能，而且能夠?qū)O微弱發(fā)光目標進行二維成像的特點。本發(fā)明具有大面陣、高靈敏度、暗計數(shù)低、分辨率高、成像線性度好，實時測量處理的優(yōu)點。
文檔編號G01J1/42GK101387548SQ20071001863
公開日2009年3月18日 申請日期2007年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月11日
發(fā)明者劉永安, 張興華, 朱香平, 繆振華, 趙寶升, 瑋 鄒 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所