基于ICCD光子計數的濾光片透過率測試

陳 群，徐 欣，王鎮(zhèn)窯，錢蕓生

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基于ICCD光子計數的濾光片透過率測試

陳 群，徐 欣，王鎮(zhèn)窯，錢蕓生

（南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094）

針對光經深截止濾光片衰減后，達到光子計數水平，其透過率難以用一般測量儀器測出的情況，設計了基于ICCD的光子計數成像系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的工作原理，硬件組成和圖像處理所涉及到的軟件算法，給出了利用單位時間內透過的光子數計算透過率的計算方法，并對一給定的日盲濾光片進行了透過率測試。在特定波長范圍內，測試結果的數值相對實際情況偏小，測試結果的數量級與實際一致，表明該系統(tǒng)的測試穩(wěn)定性較高。經過分析，系統(tǒng)最小可探測到每秒鐘幾百個光子，可用于經濾光片衰減后達光子計數水平的濾光片透過率測試。

ICCD；光子計數；透過率；多幀圖像累加；連通區(qū)域標記

0 引言

深截止型日盲紫外濾光片是日盲紫外電暈探測系統(tǒng)的核心部件，它可以有效濾除日盲區(qū)以外波段的光，抑制背景光（近紫外和可見光）的響應，從而提高探測系統(tǒng)的信噪比[1]。光譜透過率是日盲濾光片的一項重要參數，為了提高日盲紫外電暈探測系統(tǒng)的靈敏度，有必要對濾光片的光譜透過率進行測量。目前，測試濾光片透過率的科學儀器主要是分光光度計、DF透反儀（差動型透射率反射率測量儀）、傅里葉紅外光譜儀等[2]。然而，這3種儀器的極限透過率約為OD5。2009年，劉衛(wèi)國、孫鑫等人提出的光電檢測系統(tǒng)，將透過率測試范圍拓展到了OD6[3]。但對于帶外深度截止的日盲紫外濾光片來說，其透過率可達OD10，上述儀器的測量精度不能滿足測試要求。2014年，崔穆涵，周躍等人又提出了超大動態(tài)范圍濾光片截止深度測試系統(tǒng)，測量精度可達OD11[4]。其文章中因采用單色儀作為光源會使衰減OD10后的光電流過低，導致PMT（光電倍增管）無法測量，而采用了一系列窄帶LED作為光源，使得光源的波長選擇受到了限制且測試結果連續(xù)性不足。針對上述情況，采用了基于ICCD的光子計數成像方式，以單色儀作為光源，通過確定單光子所屬空間，在二維坐標中對光子進行探測。對于ICCD所輸出的圖像視頻信號，利用圖像采集卡進行采集，同時，鑒于光電探測器ICCD的結構和工作原理，運用多幀累加處理和連通區(qū)域標記算法進行光子計數，獲得單位時間內透過濾光片后的光子數，最終，經過相關的計算和轉換即可得到日盲濾光片的透過率。

1 基于ICCD的光子計數成像系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)工作原理

ICCD是弱光探測領域的主要光電探測器件，由前置增強級、中繼光學元件、CCD像傳感器3個獨立部分組成[5]。它利用了光陰極暗電流非常低及像管圖像亮度增強的優(yōu)點，為CCD提供一個低噪聲光子數預放大器，以實現微光電視攝像功能[6]。其工作原理是：入射光子先到達光電陰極，激發(fā)出電子，再通過微通道板進行電子倍增，電子數量增加。倍增后的電子轟擊熒光屏，激發(fā)出光子[7]。打在熒光屏上的圖像耦合到CCD上，再由CCD產生信號電荷輸出?；谠撈骷鶚嫿ǖ墓庾佑嫈党上裣到y(tǒng)，其原理框圖如圖1所示。

激光泵浦寬帶光源用來產生高亮度、高穩(wěn)定性的寬帶白光，經過光調制器的調制后入射雙級聯單色儀，在計算機的控制下，產生所需要的單色光，由于雙級聯單色儀采用了兩個單色儀，故其具有良好的雜散光抑制能力，能產生高質量的單色光，準直系統(tǒng)將光柵單色儀輸出的光轉變?yōu)闇势叫小⑿∈鴱降膯紊馊肷浔粶y濾光片；經濾光片衰減后的光入射至紫外ICCD，經光電轉換和電子倍增，驅動CCD輸出圖像視頻信號，隨后通過圖像采集卡采集圖像并在工控機上顯示，最后通過工控計算機對所得到的圖像進行處理和計算。

1.2 硬件選擇

硬件選型方面，核心器件ICCD采用的是中國兵器工業(yè)集團某公司自主研發(fā)的紫外ICCD，其內部結構圖如圖2所示。

該紫外ICCD主要由紫外鏡頭、CsTe光電陰極、雙級聯微通道板、熒光屏、耦合器件和CCD及其后端驅動電路組成，是可獲得圖像的光電真空器件，具有高靈敏度、高分辨率的優(yōu)點。該紫外ICCD主要技術指標如表1所示。

圖1 ICCD光子計數成像原理框圖

圖2 紫外ICCD內部結構圖

表1 紫外ICCD主要技術指標

由于紫外ICCD輸出PAL制式視頻信號，故應選一個支持PAL制式的圖像采集卡將紫外ICCD輸出的視頻信號采集至計算機顯示與分析處理。該光子計數成像系統(tǒng)最終選用了維視數字圖像技術有限公司的MV-810圖像采集卡。

2 透過率計算處理方法

2.1 多幀圖像累加處理

由于待探測目標的照度很低，且噪聲相對較高，因此會很大程度地減小輸出信號的信噪比。通過對靜態(tài)圖像序列采用圖像多幀累加技術，可大大改善圖像的信噪比，有效減小暗計數對測量結果的影響[8]。

該圖像(,,)是由噪聲圖像(,,)和原始圖像(,,)一起組成的，即：

(,,)＝(,,)＋(,,) (1)

圖像多幀累加技術就是指將不同時刻的幀的圖像對應像素點的圖像信號進行相加，從中取得累加圖像(,,)：

在本文所提到的光子計數成像系統(tǒng)中，可視為一個單光子的事件的情況是當多幀圖像經過累加處理后某一像素點的閾值小于灰度值，則說明光子落到該點的次數較多。在實驗中，使用的是MV-810工業(yè)高清圖像采集卡。首先修改采集卡配套軟件中錄制視頻功能部分的代碼，使其具有計時功能并且設置視頻采集時間是每次一秒鐘。將此卡采集來的紫外ICCD輸出的視頻信號在計算機上顯示，然后將采集的視頻通過計算機軟件平臺轉化成圖像，并實現閾值二值化處理和圖像多幀累加，最終將顯示出多次處理后的圖像。

2.2 連通區(qū)域標記算法

圖像在經過多幀累加后，通過閾值二值化處理，可以得到一幅灰度值為0或255的灰度圖，255表示有光子事件發(fā)生，0表示無光子事件發(fā)生。若可統(tǒng)計出該幅圖像中的亮點數，每個亮點視為一個光子事件發(fā)生，即可計算出整幅圖像的光子數。根據ICCD的結構和工作原理可知，光生電子在經過MCP放大后，由于出射時存在一定的擴散角，打到熒光屏上的是一個個光斑，所以采用連通區(qū)域標記算法計算整幅圖像的亮點數。

連通區(qū)域標記算法是對二值化圖像進行處理和分析中較為重要的一種算法。從第一個灰度值不為0的像素作為基點開始，逐個檢查其鄰接區(qū)域像素的灰度值，若不為0則一起標記為一個連通區(qū)域，再將其鄰接區(qū)域的每個像素作為基點向周圍領域擴散檢查直至該連通區(qū)域周圍的像素灰度值全為0，以此類推即可統(tǒng)計該圖像的連通區(qū)域個數。該連通區(qū)域標記算法具體流程如圖3。

這里以八連通區(qū)域標記算法舉例說明，圖4為12×6圖像點陣，其中共有4個連通區(qū)域，分別用1、2、3、4進行標記。原先這些像素灰度值均為255，首先找到第一個灰度值為255的像素點(3,1)，以其為像素基點依次檢查其8鄰域像素點的灰度值，若為255則標記為1，表示1號連通區(qū)域，所以點(2,2)、(3,2)、(4,2)均標記為1，然后再以這3個點為像素基點，分別檢查其8鄰域像素點的灰度值，被標記過的點不再進行二次標記，所以點(2,3)標記為1，當再以此點作為新的像素基點檢測其8鄰域像素點的灰度值時，發(fā)現已無灰度值為255的點，故第一個連通區(qū)域標記結束。將該連通區(qū)域像素點均設為0再進行第2個連通區(qū)域的標記，以此類推，直至所有連通區(qū)域標記完成。

2.3 光功率的計算

計算濾光片的透過率，需要知道輸入光功率和輸出光功率。輸入光功率即光源光功率，可以利用通用輻射計直接測量獲得。輸出光功率則需要用光子能量進行相應的轉換和計算。

光子是一種有能量或動量但靜止質量為0的粒子，而光線則是由大量光子組成的一束光子流[10]。根據光子能量公式，一個波長為，頻率為的光子，其能量為[11]：

式中：h為普朗克常量，其值為6.63×10－34 J×s；而c為光在真空中的傳播速度，其大小為3×108m/s。

圖4 八連通區(qū)域標記算法說明

一束單色光的光功率定義為單位時間內通過光子的總能量，故光功率等于單光子的能量乘以光子的流速，符號為，表達式為[11]：

＝×

式中：為單個光子的能量；為光子流速，即單位時間內通過某一截面的光子數，單位為count/s。

光子流速為：

＝/

式中：為單張圖像上的光子數；為采集單張圖像的時間。本實驗中所采用的圖像采集卡提供25幀/s的AVI格式采集，在此處為40ms。

3 系統(tǒng)測試結果和誤差分析

3.1 測試結果

圖5為實驗室內搭建的基于ICCD光子計數的透過率測試系統(tǒng)。為了確定閾值二值化處理中的閾值，共設計了10次暗環(huán)境下的測試，其中亮暗環(huán)境的切換可以使用雙級聯單色儀的入光口快門開關進行控制，將每次暗環(huán)境下采集到的視頻經過多幀圖像累加處理，將處理后的圖像中所有像素點灰度的最大值作為閾值。10次的測量結果平均值為3.7，取整為4。

圖5 基于ICCD光子計數的透過率測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)主要用來測量極低透過率的情況，因為透過率較高時，采集的圖像呈現一片集中的亮點，光子計數會產生很大的誤差。以日盲型濾光片作為實驗對象，選取透過率較低的截止波段測量，取300～320nm范圍，波長間隔為2nm，每個波長采集10次。將采集到的視頻經過多幀累加處理和閾值二值化處理，處理后的圖像如圖6所示，該圖像為300nm波長處進行處理后的圖像。

將上述經多幀累加和閾值二值化處理后的圖像通過連通區(qū)域標記算法進行光子計數，對10次測試所得的光子數取平均值，由2.3節(jié)光功率計算理論可計算出濾光片在對應波長處的透過率。表2所示為濾光片透過率結果。

圖6 300nm波長處ICCD光子計數成像系統(tǒng)采集處理后的圖像

3.2 誤差分析

3.2.1 光源穩(wěn)定性分析

由于該套測試系統(tǒng)使用的是單光束的濾光片光譜透過率測試方法，所以光源的穩(wěn)定性顯得尤為重要。為了測試分析光源的穩(wěn)定性，做了相隔不同時間后光源光功率的對比實驗。計算每個波長下的相對標準偏差，結果如圖7所示。

從圖7可知，光源光功率的相對標準偏差在0.9%以下，可以認為光源的穩(wěn)定性符和測試要求，對測試精度的影響可基本忽略。

3.2.2 重復性測試分析

為了評價該系統(tǒng)測試結果的穩(wěn)定性，對300～320nm波長下的透過率依次進行多次測量，并計算幾次實驗結果的相對標準偏差，結果如圖8所示。

從圖8中可以看出，測試結果的相對標準偏差在4%左右，最大不超過8%，結果在正常范圍內，說明濾光片透過率的測試結果較為可靠。之所以存在一定的偏差，一方面是由于光子計數本身就具有一定的波動性，另一方面，實驗過程中為減去暗電流噪聲影響，二值化閾值由幾次暗環(huán)境下所測最大灰度值取平均得到，平均后的閾值相對每一次測量的實際應取閾值還是會有一些差異，使得每一次測量結果間的波動性增大。

此外，系統(tǒng)所測得結果與其他測試手段所得到的數據處于相同的數量級，但結果相對偏小，原因主要是：若光子到達光電探測器表面的時間小于光電探測器的一個積分時間，則有可能發(fā)生多于一個光子在同一個積分時間內入射至光電探測器的表面的同一個連通區(qū)域。這樣會產生誤計數，導致測試結果偏小。

表2 測試波長處濾光片透過率計算結果

圖7 不同波長下光源光功率的相對標準偏差曲線圖

圖8 不同波長下所測透過率的相對標準偏差曲線圖

4 結論

日盲濾光片在日盲紫外電暈探測系統(tǒng)中有著極其重要的作用，它能夠彌補紫外像增強器在日盲區(qū)仍然有著微小響應的缺陷，屏蔽日盲紫外光對于電暈探測系統(tǒng)可能帶來的干擾。精確地測量出日盲濾光片的截止深度對整個日盲紫外電暈探測系統(tǒng)的設計至關重要。本文利用激光泵浦寬帶光源，雙級聯單色儀，準直系統(tǒng)，紫外ICCD，圖像采集卡和計算機等搭建了一個可以用來測量極低透過率的系統(tǒng)，用多幀圖像累加和連通區(qū)域標記算法來對讀取圖像進行處理，經過計算和轉換即可得到輸出光功率。所得輸出光功率與通用幅度計所測得的光源光功率之比即為該濾光片的透過率。該系統(tǒng)具有探測每秒幾百個光子的能力，測量結果的數量級與實際一致，而數值偏小，且若經濾光片后的光照過強，這一誤差則會更大。實驗結果表明，該系統(tǒng)只適合用來測量濾光片透過率極低情況下的透過率。

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Optical Filter Transmittance Test Based on ICCD Photon Counting

CHEN Qun，XU Xin，WANG Zhenyao，QIAN Yunsheng

(,,210094,)

A photon counting imaging system based on ICCD is designed to solve the problem that the transmittance is difficult to be measured by general measuring instruments when the light is cut by deep cut-off filter and reaches to the photon counting level. The operating principles of the system, hardware components, and software algorithms used for image processing are introduced. Furthermore, the algorithm used to calculate the transmittance from the number of photons transmitted per unit time is tested and the transmittance of a solar blind filter is calculated. Our studies reveal that, within a specific wavelength range, although the numerical result obtained using our algorithm is smaller than what is observed in experiments, the order of magnitude is the same in the two cases, thus indicating the high reliability of our system. Our analysis shows that our system can probe hundreds of photons per second, and thus, can be used for measuring transmittance in cases that require photon counting after reduction by filters.

ICCD，photon counting，transmittance，multi-frame accumulation，connected area labeling

TN247

A

1001-8891(2017)08-0710-07

2016-09-07；

2016-12-05.

陳群（1995-），女，安徽蕪湖人，本科生。E-mail：13222000102@163.com。

錢蕓生（1968-），男，教授，博士生導師，主要研究方向：微光與紅外成像器件與系統(tǒng)及相關測試技術。E-mail：yshqian@njust.edu.cn。