單光子靈敏和高時(shí)空分辨的大動(dòng)態(tài)范圍科學(xué)增強(qiáng)相機(jī)

潘京生，顧 燕，李燕紅，孫建寧，張勤東，蘇德坦

單光子靈敏和高時(shí)空分辨的大動(dòng)態(tài)范圍科學(xué)增強(qiáng)相機(jī)

潘京生1,2，顧 燕1，李燕紅1，孫建寧1，張勤東1，蘇德坦1

（1. 北方夜視技術(shù)股份有限公司，江蘇 南京 211102；2. 微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

增強(qiáng)相機(jī)結(jié)合了MCP增強(qiáng)器和圖像傳感器這兩個(gè)成熟的技術(shù)，便于對(duì)其各組件構(gòu)成的優(yōu)化及擇優(yōu)組合，獲得單光子靈敏的探測(cè)能力，以及精確的空間和時(shí)間分辨能力，可在極微弱光條件下獲得準(zhǔn)確的位置和時(shí)間信息，成為一個(gè)可用于科學(xué)成像的理想的大面陣成像探測(cè)器，特別是可結(jié)合門控電源，獲得超快的曝光時(shí)間，并使增強(qiáng)相機(jī)也可在較高的光照條件下工作，覆蓋一個(gè)相當(dāng)大的工作范圍。本文描述了增強(qiáng)相機(jī)的構(gòu)成及其各構(gòu)成組件的工作特性，介紹了MCP增強(qiáng)器各組件的擇優(yōu)組合和優(yōu)化構(gòu)成，結(jié)合一個(gè)門控電源對(duì)光陰極的超高速和高頻率的選通，以及一個(gè)百萬(wàn)像素的圖像傳感器經(jīng)光學(xué)耦合后的高速讀出，科學(xué)增強(qiáng)相機(jī)可具有納秒甚至亞納秒的時(shí)間分辨力，并兼具模擬和光子計(jì)數(shù)兩種模式的大動(dòng)態(tài)范圍成像能力，在光子計(jì)數(shù)模式，具有可達(dá)到單光子探測(cè)靈敏度，和106count×s－1×cm－2數(shù)量級(jí)以上的最大計(jì)數(shù)率，以及10mm（FWHM）的空間分辨的能力。

科學(xué)成像；增強(qiáng)相機(jī)；MCP增強(qiáng)器；光子計(jì)數(shù)成像

0 引言

得益于在顯微鏡、激光、光子探測(cè)器和數(shù)據(jù)獲得及分析電子學(xué)的最新技術(shù)進(jìn)步，熒光光譜學(xué)已經(jīng)為研究生物分子結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)的一個(gè)主要技術(shù)，而一個(gè)可結(jié)合快時(shí)間分辨和單光子靈敏度的可視化活性分子的成像探測(cè)器，可為生物分子的動(dòng)態(tài)和結(jié)構(gòu)的研究提供更深刻的理解[1-5]，但這不僅需要一個(gè)高靈敏度和大動(dòng)態(tài)范圍的百萬(wàn)像素大面陣焦平面?zhèn)鞲衅?，同時(shí)還要求具有更快的幀頻以捕獲具有快時(shí)間分辨的動(dòng)態(tài)事件。

CCD和CMOS圖像傳感器的應(yīng)用已覆蓋了從便宜的視頻相機(jī)到昂貴的科學(xué)數(shù)字相機(jī)。隨著CMOS圖像傳感器的技術(shù)進(jìn)步，CCD在消費(fèi)成像市場(chǎng)的主力地位正在逐漸喪失，在需要高靈敏度的科學(xué)成像領(lǐng)域也受到了CMOS的挑戰(zhàn)，并且CMOS具有更快的讀出電子學(xué)，具有捕獲更大范圍的高速成像的能力，但仍難于滿足在一個(gè)極微弱光條件下的科學(xué)成像要求。

電子倍增CCD（EMCCD）借助于一個(gè)額外的倍增寄存器將信號(hào)放大到放大器的讀出噪聲之上，具有很高的靈敏度，可實(shí)現(xiàn)光子計(jì)數(shù)成像，但限于與CCD實(shí)質(zhì)相同的讀出電子學(xué)結(jié)構(gòu)[6-7]，同樣也限定了其所能達(dá)到的計(jì)數(shù)率的動(dòng)態(tài)范圍和捕獲瞬態(tài)事件的能力。

通過(guò)在一個(gè)CCD或CMOS圖像傳感器之前增加一個(gè)光子計(jì)數(shù)MCP增強(qiáng)器，以獲得單光子探測(cè)靈敏度，并保持MCP增強(qiáng)器極好的時(shí)間分辨能力，可兼具模擬和光子計(jì)數(shù)兩種工作模式，科學(xué)增強(qiáng)相機(jī)可在極微弱光條件下獲得準(zhǔn)確的位置和時(shí)間信息，成為一個(gè)可用于科學(xué)成像的理想的大面陣成像探測(cè)器[8-11]。

本文描述了增強(qiáng)相機(jī)的構(gòu)成及其各構(gòu)成組件的工作特性，介紹了一個(gè)基于MCP stack增強(qiáng)器的科學(xué)增強(qiáng)相機(jī)，通過(guò)各組件的擇優(yōu)組合和優(yōu)化構(gòu)成，結(jié)合一個(gè)百萬(wàn)像素的CMOS圖像傳感器經(jīng)光學(xué)耦合后的高速讀出，獲得一個(gè)高空間分辨（＜10mm）、時(shí)間分辨（＜ns）和大動(dòng)態(tài)范圍（106counts×s－1×cm－2）的單光子靈敏度的光子計(jì)數(shù)成像能力。

1 增強(qiáng)相機(jī)組件

增強(qiáng)相機(jī)是一種特殊形式的MCP探測(cè)器，由MCP增強(qiáng)器和數(shù)字相機(jī)單元組成。通常也稱為ICCD或ICMOS，但這個(gè)名稱似乎易于誤導(dǎo)為一個(gè)由像增強(qiáng)器與CCD或CMOS圖像傳感器耦合而成的提供可視化視頻圖像的高靈敏度相機(jī)。實(shí)質(zhì)上，增強(qiáng)相機(jī)的主要性能仍然是基于MCP增強(qiáng)器，CCD或CMOS相機(jī)單元只不過(guò)是作為一個(gè)讀出器件和接口單元，用來(lái)讀取MCP增強(qiáng)器熒光屏上的圖像信息，以構(gòu)筑成一個(gè)數(shù)字圖像?？茖W(xué)增強(qiáng)相機(jī)不僅需要對(duì)MCP增強(qiáng)器各組件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和擇優(yōu)組合，同時(shí)還要求作為光學(xué)讀出和接口的CCD或CMOS相機(jī)單元，最大程度的保持MCP增強(qiáng)器的主要工作特性，以獲得單光子靈敏度的高時(shí)空分辨的大動(dòng)態(tài)范圍的成像能力。

1.1 MCP

MCP起始于針對(duì)像增強(qiáng)器開發(fā)的一個(gè)通道電子倍增器陣列，其每個(gè)細(xì)微通道都如同一個(gè)電子倍增通道，通道的二次電子的釋放深度在20nm以內(nèi)，因此可響應(yīng)于穿透深度在1nm～20nm的電離輻射，這不僅包括電子和離子，還有X射線和UV光子，對(duì)X射線的高能限約在0.1nm（12.4keV），UV長(zhǎng)波限在150nm（8eV以上），通過(guò)在MCP輸出面上直接蒸鍍CsI，可優(yōu)化其在UV和X射線的響應(yīng)波段及量子效率。MCP本身就是一個(gè)X射線和EUV“日盲”探測(cè)器，兼具模擬和脈沖計(jì)數(shù)兩種工作模式，而脈沖計(jì)數(shù)MCP探測(cè)器是對(duì)極微弱輻射物成像的一個(gè)理想選項(xiàng)。

在探測(cè)連續(xù)的微弱輻射物時(shí)，可采用單片MCP，并施加一個(gè)約800V的工作電壓，產(chǎn)生102～103的電子增益，輸出放大信號(hào)的振幅變化相應(yīng)于輸入事件，結(jié)合一個(gè)熒光屏陽(yáng)極的光學(xué)讀出，可提供一個(gè)允許可變事件率的模擬放大的可視化圖像。

但當(dāng)被探測(cè)的輻射物極其微弱時(shí)，入射事件在時(shí)間和空間上分離，將無(wú)法再以一個(gè)模擬方式來(lái)捕獲持續(xù)圖像。此時(shí)采用一個(gè)MCP V stack或Z stack，并施加一個(gè)相對(duì)較高的工作電壓，一個(gè)MCP V stack，可在約1600V的偏壓下，對(duì)單個(gè)事件產(chǎn)生一個(gè)104～105的增益，并隨著工作電壓的提高，MCP的空間飽和將導(dǎo)致其輸出脈沖高度分布（PHD）從一個(gè)負(fù)指數(shù)冪形式逐漸向峰分布改變，成為正態(tài)分布的高斯波形，如圖1所示。結(jié)合一個(gè)位敏陽(yáng)極，從而可進(jìn)行位置靈敏的二進(jìn)制計(jì)數(shù)，并過(guò)適當(dāng)?shù)碾娮訉W(xué)甄別以消除背景噪聲，實(shí)現(xiàn)對(duì)極微弱輻射物如單光子的脈沖計(jì)數(shù)成像探測(cè)[12-13]。而借助一個(gè)質(zhì)心坐標(biāo)算法，通過(guò)對(duì)電荷云在位敏陽(yáng)極上的覆蓋區(qū)域進(jìn)行處理，探測(cè)器的極限分辨力理論上僅限定于通道尺寸，而不是電荷云在位敏陽(yáng)極的覆蓋面積[14-15]。

MCP的脈沖高度計(jì)數(shù)模式是自限的，探測(cè)器對(duì)于非常亮的物體的成像也是適合，并且，當(dāng)對(duì)MCP stack施加一個(gè)相對(duì)較低的電壓時(shí)，仍可工作于模擬模式，但相比于單片MCP，在空間分辨力上存在損失。

MCP具有極好的時(shí)間分辨力，單片MCP的計(jì)時(shí)精度可優(yōu)于200ps FWHM，MCP V stack的時(shí)間響應(yīng)可優(yōu)于750ps FWHM，雖然通道的死時(shí)間在ms級(jí)，但由于通道密度每平方厘米可達(dá)百萬(wàn)計(jì)，且每個(gè)通道各自構(gòu)成的獨(dú)立打拿極，MCP的最大計(jì)數(shù)率可達(dá)106count×s－1×cm－2[12]，小孔徑低阻抗的大動(dòng)態(tài)范圍MCP的最大計(jì)數(shù)率可達(dá)到108count×s－1×cm－2，而MCP探測(cè)器的背景事件率可低至0.1～2count×s－1×cm－2 [16]。

圖1 MCP的脈沖高度分辨力和峰谷比

1.2 MCP增強(qiáng)器

像增強(qiáng)器和MCP的開發(fā)起源于對(duì)夜視儀的軍事需求，并得到了很好的發(fā)展。MCP是現(xiàn)代像增強(qiáng)器的標(biāo)志。像增強(qiáng)組件由制作有光陰極的硼硅酸鹽玻璃輸入窗、MCP和沉積在光纖板上的熒光屏輸出窗構(gòu)成，封裝在釬焊金屬可伐環(huán)陶瓷管的高真空腔體內(nèi)，如圖2所示，并與半開合環(huán)型微型電源灌裝成一體。

圖2 像增強(qiáng)組件結(jié)構(gòu)示意圖

像增強(qiáng)器借助于光陰極的外光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)可見光的探測(cè)。光陰極將收集到的入射光子轉(zhuǎn)換為光電子，在一個(gè)近貼電壓的作用下，逸出真空并聚焦到MCP，經(jīng)MCP放大形成的電荷云，再經(jīng)一個(gè)6kV/mm的高壓加速，撞擊熒光屏陽(yáng)極，轉(zhuǎn)換為可見光圖像。MCP與熒光屏間的高壓可抑制電荷云在級(jí)間間隙傳輸時(shí)的橫向散布，減少空間分辨力的損失，并為電荷云提供足夠的撞擊能量，提高熒光屏的轉(zhuǎn)換效率。

光陰極門控是現(xiàn)代像增強(qiáng)器的最新技術(shù)之一，借助于光陰極與MCP之間電壓的自動(dòng)門控，達(dá)到納秒級(jí)時(shí)間和10kHz頻率的光陰極門控，在高亮度環(huán)境比例減少進(jìn)入MCP的光電子流，從而將像增強(qiáng)器的動(dòng)態(tài)拓展到黃昏黎明暮曙光的高光照級(jí)別。

MCP探測(cè)器可借助于像增強(qiáng)器的光陰極實(shí)現(xiàn)對(duì)UV、可見光到近紅外（NIR）微弱光輻射的成像探測(cè)，并兼具模擬和計(jì)數(shù)兩種工作模式，覆蓋從亮亮度級(jí)別（High-light Level，或光子噪聲限定，Photo Noise Limit）到微光限定（Low Light-level Limit，或光子計(jì)數(shù)限定，Photo Count Limit）這樣一個(gè)相當(dāng)大的動(dòng)態(tài)范圍。

門控可作為增強(qiáng)相機(jī)的電子快門，如采用一個(gè)分離的門控電源模組，不受體積、重量和功耗的限定，將更易于獲得一個(gè)超快時(shí)間曝光的電子快門。

1.3 光陰極

目前，市場(chǎng)上可得到的像增強(qiáng)器主要分為超級(jí)S25（Super S25）光陰極的超二代像增強(qiáng)器和GaAs光陰極的三代像增強(qiáng)器。Ⅲ-Ⅴ族化合物光陰極具有負(fù)電子親和勢(shì)（NEA）而具有更高的量子效率，但需在MCP輸入面上增加一個(gè)離子阻擋膜，以阻止MCP的離子反饋對(duì)NEA光陰極的傷害，限定了NEA光陰極量子效率的有效利用率。

增強(qiáng)相機(jī)可借助于應(yīng)用于光電倍增管（PMT）或MCP-PMT的多種類光陰極的選擇，優(yōu)化MCP增強(qiáng)器工作響應(yīng)波段的量子效率和背景事件率，如圖3所示，雙堿光陰極靈敏于160～650nm，在350nm處量子效率峰值接近30%甚至更高，而GaAsP光陰極靈敏于300～700nm，在500nm的量子效率峰值達(dá)到45%甚至50%，并且，MCP stack因其疊加間隙具有捕獲反饋離子的功能，無(wú)需使用離子阻擋膜，可有效發(fā)揮NEA光陰極的高量子效率優(yōu)勢(shì)。

圖3 各種光陰極的光譜響應(yīng)范圍和量子效率

CsTe光陰極靈敏于115～320nm的UV波段，結(jié)合一個(gè)在280nm以上波段深度截止（12倍光學(xué)密度）的濾光片，基于CsTe光陰極的增強(qiáng)相機(jī)可在全日光下實(shí)現(xiàn)日盲紫外的成像探測(cè)。相比之下，GaN光陰極有更高的量子效率，但也有更長(zhǎng)的長(zhǎng)波限。

降低背景事件率，如同增加量子效率，可有效提高探測(cè)靈敏度。S25光陰極屬于拓紅響應(yīng)的多堿光陰極，與GaAs光陰極一樣，有很好NIR響應(yīng)，長(zhǎng)波限在900nm以上。更高的感紅響應(yīng)總是伴隨著更低的帶隙，由此帶來(lái)更高的熱釋放概率。以堿基光陰極為例，多堿S20光陰極的光譜響應(yīng)覆蓋到900nm，雙堿光陰極則到650nm，而CsTe光陰極的長(zhǎng)波限在320nm，相比之下，S20的典型暗計(jì)數(shù)率50count×cm－2×s－1，雙堿為10count×cm－2×s－1[17]，而CsTe則低至3count×s－1×cm－2。通過(guò)制冷還可進(jìn)一步降低光陰極的暗電流。

1.4 熒光屏

熒光屏的選擇取決于熒光屏材料發(fā)光的光譜范圍和峰值，以及熒光屏材料的轉(zhuǎn)換效率和發(fā)光響應(yīng)（衰減）時(shí)間。對(duì)于增強(qiáng)相機(jī)的應(yīng)用，為避免幀讀出的疊加，熒光屏的衰減時(shí)間是最重要的參數(shù)。

通常按熒光屏材料的衰減時(shí)間將熒光屏分為兩類，如表1所示。第一類具較慢的衰減時(shí)間，但轉(zhuǎn)換效率高，如P20和P43。第二類具有非?？斓乃p時(shí)間，但轉(zhuǎn)換效率稍低，如P46和P47。目前像增強(qiáng)器采用P43和P20熒光屏，除了是考慮其具有一個(gè)高的轉(zhuǎn)換效率之外，還在于其發(fā)光光譜的峰值對(duì)應(yīng)在人眼過(guò)渡視覺(jué)所靈敏的藍(lán)綠光范圍，即所謂的浦肯野（Purkinje）現(xiàn)象。但即使是P43熒光屏的衰減時(shí)間常數(shù)也達(dá)到了1ms，而P46熒光屏則低至300ns。圖4所示的是P20熒光屏激發(fā)100ns和P43熒光屏激發(fā)20ns后起始500ms的衰減時(shí)間關(guān)系[18]。

1.5 圖像傳感器與電子學(xué)讀出

在增強(qiáng)相機(jī)中，相機(jī)單元作為MCP增強(qiáng)器的一個(gè)光學(xué)讀出和接口單元，獲取熒光屏的光信號(hào)的空間和時(shí)間分布，將其轉(zhuǎn)換為圖像傳感器像素上的數(shù)字單位（DN），并進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理，集成到圖像貯存單元，以構(gòu)筑成一個(gè)數(shù)字圖像。為保持來(lái)自MCP增強(qiáng)器的時(shí)間信息，要求圖像傳感器與電子學(xué)讀出對(duì)熒光屏的每一個(gè)光點(diǎn)的獲得和處理，都必須在相同位置上的隨后事件發(fā)生之前完成。

圖4 P43熒光屏在激發(fā)20ns后和P20熒光屏在激發(fā)100ns后在起始500ms的衰減

表1 各種熒光屏的發(fā)射光譜和衰減時(shí)間及功率效率

CCD與CMOS圖像傳感器本質(zhì)上都基于光二極管陣列的光生電流的積分和讀出，兩者的主要差別是信號(hào)從信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并最終轉(zhuǎn)換至數(shù)字信號(hào)的不同方式。CCD的串行讀出限定了其可達(dá)到的幀頻，特別是對(duì)于一個(gè)百萬(wàn)像素以上的圖像傳感器。而CMOS圖像傳感器的數(shù)據(jù)通路在前端是大規(guī)模并行的，這樣每個(gè)放大器都擁有低的帶寬，當(dāng)信號(hào)到達(dá)數(shù)據(jù)通路瓶頸，即芯片與芯片外電路系統(tǒng)之間的接口時(shí)，CMOS圖像傳感器的數(shù)據(jù)已經(jīng)是數(shù)字的了[19]。顯然，CMOS圖像傳感器可達(dá)到更快的讀出速度，并具有緊湊，簡(jiǎn)單，抗輻射，低功耗和低成本的優(yōu)點(diǎn)。

CCD相比于CMOS具有靈敏度高、噪聲低的特點(diǎn)，但CCD的低噪聲僅在其慢讀出速度上得到，并且在增強(qiáng)相機(jī)中圖像傳感器接收的經(jīng)MCP增強(qiáng)器放大過(guò)的信號(hào)，即使圖像傳感器有較高的讀出噪聲或較低的信噪比，也都不再成為對(duì)系統(tǒng)探測(cè)靈敏度的限定。

但鑒于MCP增強(qiáng)器的高放大特性，圖像傳感器有限的阱容將成為限定增強(qiáng)相機(jī)的空間分辨和光強(qiáng)度測(cè)量的瓶頸。一種采用太陽(yáng)能電池模式的非偏置光二極管結(jié)的開放電路電壓的像素設(shè)計(jì)的對(duì)數(shù)算法轉(zhuǎn)換增益的CMOS圖像傳感器，可承受一個(gè)大于120dB的景內(nèi)動(dòng)態(tài)范圍[20]，在僅需可視化圖像的視頻成像的應(yīng)用中也展示了很好的效果，包括熱成像/可見光融合的應(yīng)用，但也由此而缺失光子響應(yīng)的線性對(duì)應(yīng)，不利于進(jìn)行光強(qiáng)度的精確測(cè)量。

CMOS圖像傳感器還可以全局和卷簾兩種快門方式輸出，全局快門為陣列中的所有像素同時(shí)曝光，卷簾快門則為不同行的像素依序曝光在不同的時(shí)間并按序讀出，卷簾快門可進(jìn)一步提高讀出速度并降低噪聲，但采用那種讀出方式更合適取決于應(yīng)用的需要。

CMOS圖像傳感器的電子學(xué)讀出可由基于FPGA的驅(qū)動(dòng)電子學(xué)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理單元以及可連接到PC的接口構(gòu)成；FPGA具有電子學(xué)系統(tǒng)結(jié)合軟件再構(gòu)造的優(yōu)勢(shì)，不僅保持固定不變的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并可允許采用多種算法的數(shù)據(jù)處理，同時(shí)還可顯著提高硬件邏輯的計(jì)算速度，采用FPGA即時(shí)數(shù)據(jù)處理不僅有助于CMOS圖像傳感器的實(shí)時(shí)的感興趣區(qū)域（ROI）能力的開發(fā)，同時(shí)對(duì)于減少用于進(jìn)一步離線分析的數(shù)據(jù)流下游的數(shù)據(jù)量也是很有必要。

CameraLink的高速圖像數(shù)據(jù)傳輸接口理論上具有300MBps的數(shù)據(jù)傳輸率，5倍高于高速USB2.0接口，而光纖快速串行連接器更是可達(dá)到1.2 GBps。

1.6 光學(xué)耦合

采用光纖板，將MCP增強(qiáng)器1:1的光學(xué)耦合到一個(gè)大面陣的圖像傳感器，或借助于一個(gè)光纖錐，以提供特定比例的縮放，如圖5所示，光纖耦合可使組件結(jié)構(gòu)更加緊湊，并減少體積重量，同時(shí)也可采用可拆卸的機(jī)械固定方式，以便于兩個(gè)亞系統(tǒng)間的替換或調(diào)整，但這都需要首先除去圖像傳感器的窗口。

直接借助透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)MCP增強(qiáng)器與數(shù)字相機(jī)單元之間的光學(xué)傳輸，可便于兩個(gè)亞系統(tǒng)間的替換或調(diào)整，提供更靈活的系統(tǒng)配置。圖6所示的是一個(gè)MCP增強(qiáng)器經(jīng)透鏡耦合到集成FPGA和RAM子系統(tǒng)的CMOS數(shù)字相機(jī)的增強(qiáng)相機(jī)的結(jié)構(gòu)示意。

圖5 采用光纖錐（左）或光纖板（中）耦合的ICCD或ICMOS的示意圖和一個(gè)帶光纖板窗口的CMOS模組（右）

圖6 基于MCP增強(qiáng)器和sCMOS的科學(xué)增強(qiáng)相機(jī)的構(gòu)成示意圖

光學(xué)透鏡耦合與光纖耦合相比，存在耦合效率的損失，但實(shí)質(zhì)上兩者的差距并不是想象那么大，通過(guò)MCP增強(qiáng)器及圖像傳感器的增益設(shè)置來(lái)彌補(bǔ)。特別是在MCP V stack增強(qiáng)器中，在光子計(jì)數(shù)模式MCP V stack的飽和增益，本身就可能超過(guò)了圖像傳感器的滿阱容量的承受能力。

2 單光子靈敏高時(shí)空分辨大動(dòng)態(tài)范圍的增強(qiáng)相機(jī)

借助于多種光陰極的選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種輻射物的敏感，基于位敏陽(yáng)極直接電荷讀出的光子計(jì)數(shù)MCP成像探測(cè)器，和基于熒光屏光學(xué)讀出的光子計(jì)數(shù)ICCD，都成功地多次完成太空UV和X射線成像任務(wù)，特別是前者，包括開放式和封裝式，集成多種位置靈敏陽(yáng)極。如楔條形陽(yáng)極（Wedge Strip Anode，WSA），交叉延遲線（Cross Delay Line，XDL）陽(yáng)極和交叉條（Cross Strip，XS）陽(yáng)極等等，與結(jié)合小型化多通道ASIC電路的電子學(xué)成像讀出技術(shù)相融合，其中，基于XDL陽(yáng)極的大面陣（100mm×100mm）的MCP探測(cè)器的讀取速度達(dá)到約500kHz的全局計(jì)數(shù)率[10]，而一個(gè)40mm有效面積的ICCD，經(jīng)1:3.6的比例耦合到CCD，即使是僅有一個(gè)60fps幀頻的全幀讀出，但憑借可在一個(gè)單幀內(nèi)記錄多個(gè)光子事件在熒光屏上的亮度信息，也獲得了2.6×104count×cm－2×s－1的最大計(jì)數(shù)率[21]，MCP光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器成為太空UV成像任務(wù)的自然選擇[22]，并開始從太空成像應(yīng)用向科學(xué)成像領(lǐng)域轉(zhuǎn)化。

雖然增強(qiáng)相機(jī)在這里增加了一個(gè)重復(fù)的電光-光電轉(zhuǎn)換過(guò)程，但也由此可借助傳統(tǒng)像增強(qiáng)器和現(xiàn)代圖像傳感器這兩個(gè)成熟技術(shù)，通過(guò)MCP增強(qiáng)器各組件的擇優(yōu)組合和優(yōu)化構(gòu)成，包括多種光陰極材料的選擇，以優(yōu)化其在特定應(yīng)用所需要的響應(yīng)波段的量子效率和暗電流，同時(shí)結(jié)合一個(gè)百萬(wàn)像素的CMOS圖像傳感器的智能相機(jī)單元，經(jīng)光學(xué)耦合后的高速讀出和數(shù)據(jù)處理，以保持MCP增強(qiáng)器對(duì)微弱輻射物探測(cè)的時(shí)間和空間信息，獲得單光子靈敏度的高時(shí)空分辨和大動(dòng)態(tài)范圍計(jì)數(shù)成像能力，便于將光子計(jì)數(shù)增強(qiáng)相機(jī)進(jìn)一步拓展到非太空成像任務(wù)的科學(xué)成像以及工業(yè)應(yīng)用。而通過(guò)采用特殊軟件，還可進(jìn)行大吞吐量的3D圖像的再構(gòu)造[23]。

光子計(jì)數(shù)增強(qiáng)相機(jī)是對(duì)極微弱光成像的一個(gè)最佳選項(xiàng)。當(dāng)光強(qiáng)度低于10－5lx時(shí)，光子在時(shí)間和空間上相分離，捕獲一個(gè)持續(xù)的圖像已經(jīng)不再可能，此時(shí)通過(guò)增加施加在MCP stack上的工作電壓，使MCP達(dá)到空間電荷效應(yīng)所導(dǎo)致的飽和狀態(tài)，只要在受最大計(jì)數(shù)率限定的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，不管輸入事件率多少，MCP對(duì)每一個(gè)有效輸入事件都將產(chǎn)生一個(gè)恒定振幅的輸出脈沖，從而可實(shí)現(xiàn)單光子靈敏度的二維空間和一維時(shí)間的光子計(jì)數(shù)成像。

一個(gè)10mm孔徑12mm間距的MCP V stack，對(duì)應(yīng)一個(gè)由單個(gè)事件引發(fā)產(chǎn)生的電子脈沖級(jí)聯(lián)，可在像增強(qiáng)器的熒光屏上產(chǎn)生一個(gè)約50mm直徑的光點(diǎn)。光子計(jì)數(shù)增強(qiáng)相機(jī)通過(guò)圖像傳感器光學(xué)讀出獲得每一個(gè)亮點(diǎn)的位置信息及亮度分布，再借助于數(shù)字化的數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢(shì)，將處理后的光子事件的精確位置信息集成進(jìn)入圖像貯存單元，通過(guò)每一位置上的光子數(shù)量來(lái)配置圖像的亮度分布。

而通過(guò)一系列的FPGA和CPU用于高速數(shù)據(jù)處理，對(duì)光點(diǎn)采用一個(gè)可質(zhì)心到圖像傳感器亞像素的算法處理包括對(duì)畸變的校正，可達(dá)到一個(gè)優(yōu)于25mm（FWHM）[21]甚至10mm（FWHM）的空間分辨力[24]。

光子計(jì)數(shù)增強(qiáng)相機(jī)的計(jì)數(shù)率首先限定于相機(jī)單元的讀出速度。以目前市場(chǎng)可得的一個(gè)12.0mm×12.0mm像素尺寸1280×1024的CMOS圖像傳感器最快幀頻為500fps，即使是與一個(gè)18mm有效直徑的MCP增強(qiáng)器，經(jīng)1:1的光學(xué)耦合，如果按一個(gè)光子事件在熒光屏上60mm（FWHM）的覆蓋區(qū)域來(lái)折算，也可基本保持光子計(jì)數(shù)MCP計(jì)數(shù)率的動(dòng)態(tài)范圍（105～106count×cm－2×s－1），而借助于CMOS圖像傳感器的bining模式和感興趣區(qū)域直接尋址，可得到一個(gè)更快速度的讀出，還可更大程度地保持MCP的計(jì)數(shù)率的動(dòng)態(tài)范圍。但考慮到一個(gè)P43熒光屏可達(dá)到的1kHz的光學(xué)讀出，由此目標(biāo)定位的起點(diǎn)應(yīng)該是一個(gè)1kHz幀頻的百萬(wàn)像素圖像傳感器的相機(jī)單元[17]。

增強(qiáng)相機(jī)還可工作在模擬模式，在光強(qiáng)度高于10－5lx時(shí)，通過(guò)降低施加在MCP stack上的工作電壓，提供102～104的光子增益，可得到持續(xù)輸出的允許可變事件率的灰度級(jí)別圖像。

但不管是CCD還是CMOS，其通常僅60dB的動(dòng)態(tài)范圍是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在模擬模式，可通過(guò)降低MCP工作電壓，得到一個(gè)足夠低的增益，以避免圖像傳感器在曝光時(shí)間內(nèi)的飽和過(guò)曝。但在計(jì)數(shù)模式，MCP V stack必須工作在高增益的飽和狀態(tài)，以具有足夠窄的PHD和高的峰谷比，通過(guò)適當(dāng)閾值設(shè)置消除MCP的背景噪聲，這樣，僅由單個(gè)光子引發(fā)的最小探測(cè)信號(hào)，經(jīng)MCP V stack放大后，在熒光屏上產(chǎn)生一個(gè)輸出光點(diǎn)，就可具有約106～107個(gè)光子。

雖然通過(guò)轉(zhuǎn)換增益（e-/ADU）的設(shè)置可一定程度調(diào)整CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，但終究限定于其有限的滿阱容量，除非改變MCP增強(qiáng)器的構(gòu)造以限定增強(qiáng)器的亮度增益，但這將導(dǎo)致在模擬工件模式下空間分辨力的降低。對(duì)于不受體積重量限定的應(yīng)用，在MCP增強(qiáng)器與相機(jī)單元間直接采用透鏡耦合的增強(qiáng)相機(jī)或許成為必要，以便于提供多種組件的組合及功能選項(xiàng)，甚至增加必要的光學(xué)衰減也可作為一個(gè)附加選項(xiàng)，避免一個(gè)線性轉(zhuǎn)換增益的圖像傳感器在大動(dòng)態(tài)范圍的成像和光強(qiáng)度測(cè)量時(shí)遭遇飽和甚至過(guò)曝。

利用像增強(qiáng)器光陰極與MCP間電壓的門控作為電子快門，可以獲得一個(gè)超快的曝光時(shí)間，同時(shí)，還可通過(guò)在不同光強(qiáng)度下比例減少進(jìn)入MCP的光電子流，使增強(qiáng)相機(jī)可工作在高光照條件?？茖W(xué)增強(qiáng)相機(jī)可采用分離式的門控電源模塊，從而不受體積重量功耗的限定，可獲得一個(gè)短至納秒級(jí)甚至亞納秒（200ps FWHM）的超快曝光時(shí)間，和高達(dá)200kHz甚至MHz重復(fù)率，使增強(qiáng)相機(jī)同樣也適用于在高光照條件下工作，覆蓋一個(gè)相當(dāng)大的工作范圍。

通過(guò)光陰極門控可獲得的亞納秒級(jí)的獲得幀的計(jì)時(shí)精度，適用于獲得一個(gè)與瞬間產(chǎn)生的大數(shù)量事件的輻射源同步觸發(fā)的非連續(xù)幀的成像，超快的門控能力是增強(qiáng)相機(jī)相比于其它所有科學(xué)相機(jī)的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，對(duì)于那些不需要成續(xù)成像的瞬態(tài)事件的成像，基于光陰極門控的增強(qiáng)相機(jī)應(yīng)該是一個(gè)最佳選擇。

3 結(jié)論

增強(qiáng)相機(jī)結(jié)合了MCP增強(qiáng)器和圖像傳感器這兩個(gè)成熟的技術(shù)，便于對(duì)其各組件構(gòu)成的優(yōu)化及擇優(yōu)組合，以獲得單光子靈敏的探測(cè)能力，和精確的空間和時(shí)間分辨能力，可在極微弱光級(jí)別下獲得精確的位置和時(shí)間信息，成為可用于科學(xué)成像的一個(gè)理想的大面陣成像探測(cè)器，特別是可結(jié)合一個(gè)門控電源，獲得一個(gè)超快的曝光時(shí)間，并使增強(qiáng)相機(jī)同樣適用于在較高光照條件下工作，覆蓋一個(gè)相當(dāng)大的工作范圍。而采用一個(gè)百萬(wàn)像素的圖像傳感器的高速讀出，以保持MCP增強(qiáng)器的主要特性，科學(xué)增強(qiáng)相機(jī)可在光子計(jì)數(shù)模式下，具有可達(dá)到106count×s－1×cm－2的最大計(jì)數(shù)率，和優(yōu)于10mm（FWHM）的空間分辨力的能力。

對(duì)于需要精確的位置、時(shí)間和光強(qiáng)度信息的微弱光成像或瞬態(tài)成像，包括通過(guò)顯微鏡來(lái)得到被檢生物樣品釋放的光子信息，特別是研究生物分子結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)的科學(xué)成像，單光子靈敏高時(shí)空分辨的大動(dòng)態(tài)科學(xué)相機(jī)是一個(gè)非常理想的探測(cè)器。

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Large Dynamic Range Science Intensified Camera with Single Photon Sensitivity and High Spatiotemporal Resolution

PAN Jingsheng1,2，GU Yan1，LI Yanhong1，SUN Jianning1，ZHANG Qindong1，SU Detan1

(1..,,211106,; 2.,710065,)

An intensified camera contains a hybrid detector that combines two established technologies, MCP intensification and image sensing, which facilitates optimal configuration and is the preffered choice for each assembly unit to achieve photon counting imaging with single photon sensitivity and precise spatiotemporal resolution. Therefore, this equipment becomes an ideal large format image detector for science images, which need accurate position and temporal information under extremely low level light conditions. With a high speed gate power supply, this camera can provide not only an ultrafast exposure time, but also a very large operation range to extend operation in higher light level conditions. The configuration of the intensifier camera including the operation properties of its main components is described. The preferred combination and optimal assembly of each main component for a MCP intensifier is introduced, combining a power supply with ultrafast speed and high repetition frequency for photocathode gating, and an optical coupler with a megapixel image sensor for high speed readout. The science intensified camera can have a nanosecond and even sub-nanosecond temporal timing capability, and operates over a large dynamic range with two operation modes: analog mode and photon count mode. The camera is expected to operate in photon count mode with single photo detection sensitivity, a maximum counting rate more than 106counts sec-1cm-2, and a spatial resolution less than 10μm (FWHM).

Science Imaging，Intensified Camera，MCP Intensifier，Photon Count Imaging

TN223

A

1001-8891(2017)09-0864-07

2016-10-18；

2017-07-12.

潘京生（1965-），博士，研高工，從事基于微通道板的微弱輻射物成像探測(cè)器的研究。E-mail：pjs@nvt.com.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金（61275152）。