《光电子成像技术》-14

14.1引

言人类在改造自然、改造自身的实践中，常常要面对要识别的景物照度范围很宽，从105lx到10－12lx(1.5×10－2W/cm21.5×10－19W/cm2)，达17个数量级。对于不同照明(或自发光)条件下的景物，需要采用不同的探测成像技术手段予以识别和辨认：■白昼照度：105lx(中午阳光)101lx(黄昏)，属人眼和可见光光学仪器正常工作照度范围；■夜天光照度：100lx(月光)10－3lx(星光)10－4lx(阴云夜空)，属微光夜视仪器正常工作照度范围；下一页返回14.1引

言■深海照度：≤10－8lx，靠激光辅助照明/微光像增强选通成像等技术手段，方能识别水下目标；■星体地面照度：二等星3.4×10－7lx，八等星为1.3×10－9lx，靠天文自适应光学望远镜光子计数波前传感等技术，识别超遥远星空星体和飞行物(人造卫星或洲际导弹)；■生化现象荧光照度：10－8lx10－10lx，靠专用的光子计数成像系统进行识别和诊断。上一页下一页返回14.1引

言这里，为了对上述一系列数据和成像任务的艰巨性有一个更加深切的体会，让我们再次引用本书第七章关于对景物图像的识别能力如何受系统信噪比性能限制的概念进行说明。我们知道，对于2856K标准光源，1lx的景物照度相当于每m2

面积上受到1.3×1016个光子的照射(即光照度为1.3×1010lx/mm2)。那么可以想见，如果成像系统没有任何光能传输损失，要识别如上所列的生化光荧光现象就非常困难了，此时在像面上1mm2特征面元上，只有几个到几十个荧光光子，几乎与光量子噪声水平相当了。上一页下一页返回14.1引

言如果仅用当今最先进的三代/四代微光像增强的常规技术进行探测已无能为力。因为它们在常温下的等效噪声背景照度已经达到10－7lx(相当于几千个噪声光子/mm2)了，即有用的图像信息完全被噪声所淹没，因此须采用本章将要讨论的“光子计数成像技术”，才能获得比较满意的探测识别效果。上一页下一页返回14.1引

言相对于传统光学(电)成像技术只对多光子目标进行累计再现方式而言，这里所谓的“光子计数成像技术(PCIT)”，指的是一种能够对超微弱反射光或自发光目标，以一个个单光子计数的方式进行二维图像再现的高新技术。它通常由光学机械系统、光子计数成像器件、高帧频CCD摄像机、图像采集卡和计算机分析系统等部分组成。其主要研究内容和应解决的技术难题有：上一页下一页返回14.1引

言

(1)PCIT系统信噪比及其影响因素机理研究，为PCIT技术研究和工程设计提供理论指导；(2)开展噪声脉冲高度分布等参数测试分析研究，为抑制噪声、提高增益、优化高斯型脉冲高度分布，使系统达到二维图像单光子计数水平，提供有的放矢的技术途径；(3)实现PCIT单光子计数的有效技术途径包括：选择高量子效率成像器件(提高信号利用率)、光阴极制冷(抑制热噪声)、嵌位甄别电路(斩除高能闪烁噪声)及提高系统增益(达到高斯型脉冲高度分布，以突出信号)、提高帧频(改善时间分别率和信噪比)和图像处理(不浪费有用信息)等。上一页下一页返回14.1引

言本章在简述PCIT的发展动态和当前水平后，将分别介绍MCP微光像增ICCD(一种先进的PCIT器件)中的噪声源及其脉冲高度分布、有效抑制噪声的技术途径、多光子/单光子计数脉冲高度分布、光子计数成像系统工作原理、PCIT特性参数测试、PCIT系统总体性能分析评价，以及PCIT在天文自适应光学望远镜波前传感器和医学生化超微弱荧光成像分析诊断中的应用。上一页下一页返回14.1引

言本章要点：光子计数成像技术发展动态MCP微光管中的噪声源及其脉冲高度分布光子计数成像系统工作原理光子计数成像系统特性参数及其测试光子计数成像系统(PCIS)总体性能分析光子计数成像系统应用举例上一页返回14.2光子计数成像技术发展动态如上所述，光子计数技术(PCIT)是集现代光学精密机械、真空光电子、固体微电子和高速计算机等先进科学技术于一体的低噪声、高灵敏度、宽光谱、大动态范围的光电子探测成像技术，它在天文观测、卫星侦察、导弹告警、目标跟踪、激光武器定向，以及生化研究和医学诊断等多个领域，有广泛应用价值，正是这些强烈的社会需求一直推动着这门高新技术的不断发展和更新换代。下一页返回14.2光子计数成像技术发展动态人们知道，利用微光像增强技术，可以实现夜间景物的观察和瞄准，第一代、第二代微光仪器的最低工作照度可达到星光级(10－3lx)水平；第三代微光仪器采用高灵敏度GaAs光阴极像增强器，解决了阴云密布夜(10－4lx)下的夜视问题。一代、二代和三代微光像增强器的等效背景照度为2×10－7lx，相当于夜天二等星的光照度为3.4×10－7lx。然而，天空中星罗棋布，它们各自发出的光子数量级广布于012个星等之间，星等愈高，照度愈弱。上一页下一页返回14.2光子计数成像技术发展动态例如，8等星在地面上的照度为1.3×10－9lx；另外，即使在白天，深海里的自然光照度也只有10－8lx以下量级；那么，能否采用一种更灵敏的成像器件探测到这些星体和目标呢？看起来，这一呼声似乎只与天文观测的需求有关。然而，实际上在宇航技术十分发达、远程武器层出不穷的今天，人们为了国防建设和科学研究的需要，都十分关心极微弱光目标的探测和成像技术的发展。例如，为探测或预警数百公里以外目标(卫星、宇宙飞船或洲际导弹等)，首先必须解决远程光学成像因大气扰动所造成的波前畸变和自适应校正问题；而远程激光武器要使能量集中和射程增加，也会遇到同样的困扰。上一页下一页返回14.2光子计数成像技术发展动态此外，在化学、生物学、物理学和量子电子学等学科的研究活动中，人们所要拾取和分析的对象往往是一些照度极弱(10－9lx以下)、持续时间非常短(10－9s以下)的光荧光图像信号，对如此超微弱光图像的正确探测和识别，不仅可以提供人体有病器官的解剖影像，还可提供一些示踪药剂是否能被正常代谢的功能性信息，这对于生命科学研究具有十分重要的参考价值。以上这些社会需求促成了微光图像光子计数技术的诞生和发展。上一页下一页返回14.2光子计数成像技术发展动态光子计数成像技术始终以光子计数成像器件的性能改进和更新换代为主题展开的。所谓光子计数成像器件，可以被理解为由多个光电倍增通道(MCP)组成且各自工作于单光子计数模式下的二维图像传感器阵列。就每一个通道而言，各类噪声是系统达到尽可能低的光子探测阈值的瓶颈因素。为此，必须通过对光电倍增过程输出脉冲高度分布的测试分析，寻找各类噪声的能量大小及其来源，并采取相应有效措施，例如，用适度光阴极制冷抑制热噪声；用阈值甄别电路斩除宇宙射线高能闪烁噪声；上一页下一页返回14.2光子计数成像技术发展动态用弯曲MCP或多块MCP级联提高器件增益，并使脉冲高度分布呈高斯型单峰值分布，以抑制噪声，突显信号；继而借助高帧频CCD视频图像采集和计算机图像处理等手段，对掩埋于噪声中的二维超微弱光信号，进行探测、成像和分析。上一页下一页返回14.2光子计数成像技术发展动态沿着以上技术思路，最近几十年来，光子计数成像技术有了飞速的发展，不同类型的光子计数成像器件相继问世，它们的大部分是由真空光电子成像器件(见第四章)和固体光电子成像器件(见第三章)，经过优化组合和特殊处理的专用光子计数成像器件，它们各有特色和各自的局限性，已经应用于不同的技术领域。文献中报导过9种光子计数成像器件方案，它们分别是：上一页下一页返回14.2光子计数成像技术发展动态多光电倍增管(PMTs)捆绑式系统；电磁复合聚焦像增强式电视摄像管系统；四级一代微光管级联式电视摄像管系统；多块MCP级联的二代微光管式(两块“V”字形级联和三块“Z”字形级联)ICCD系统；三代近贴管/二代微光倒像管级联式ICCD系统；硅光电二极管阵列(Reticon)或雪崩二极管阵列(APD)系统；多阳极微通道阵列(MAMA)系统；上一页下一页返回14.2光子计数成像技术发展动态电子轰击CCD(EBCCD)系统；同芯片雪崩式电子倍增式CCD(EMCCD)系统。这些方案的共同特点是：一方面，力求达到高灵敏度［灵敏阈≤10－10lx(10－17W/cm2］、高增益(106)、快响应(ns级)和高分辨率(100101lp/mm)；另一方面，最好能能提供数字化输出视频信号，以便于计算机图像处理和分析；从主流结构上讲，大部分采用MCP微光管像增强CCD方式，如ICCD系统或EBCCD系统等，下面将主要针对这类系统的相关问题，逐一予以说明。上一页返回14.3MCP微光管中的噪声源及其脉冲高度分布如上所述，先进的光子计数成像器件(PCID)通常是MCP微光管像增强式的电视摄像器件，其中，传统的真空电视摄像管视频输出器件目前已被高档的像增强式CCD电视传感器(ICCD、EBCCD)所替代。那么，为什么在CCD前必须耦合微光管作为像增强式PCID器件呢？原因在于要充分发挥微光管输入本底噪声低、电子增益高的双重优点。这一理念来源于表14-1所列的相关实验数据，此表是根据美国、俄罗斯、法国等国用于天文自适应光学望远镜波前传感的光子计数成像器件的数据，并按照同一单位“等效输入背景照度”(1lx＝1.3×1016光子/m2•s)进行比较而列出的。下一页返回14.3MCP微光管中的噪声源及其脉冲高度分布注意到表中的法国EBCCD具有最低的读出噪声。可见，如果没有MCP微光管作为PCID的前级，进行低噪声和高增益放大作用，单靠CCD是无法实现单光子计数成像的。所以，很有必要在本节首先讨论MCP微光管中的噪声源及其脉冲高度分布问题。上一页下一页返回14.3MCP微光管中的噪声源及其脉冲高度分布14.3.1MCP微光管的噪声源我们知道，MCP是高增益二代管、三代管中的核心部件之一；两块及三块MCP级联可以使器件的亮度增益高达105-107。但是，MCP的引入，却使器件的信噪比特性变差，图像中的雪花点干扰令人厌烦，如不适当处理、抑制和消除，将严重影响PCID器件的正常使用。经测试分析，这类靠二次电子倍增过程实现高电子增益器件(光电倍增管、MCP微光管等)的光电转换和倍增过程中，伴随信号有11种噪声，它们的来源和产生机理如图14-1A、B、C、D所示。上一页下一页返回14.3MCP微光管中的噪声源及其脉冲高度分布

(1)信号：来源于景物输入光—光阴极的光电子—MCP或打拿极倍增后的电子，其单电子能量位于中能区B。(2)MCP热噪声：来源于MCP(或打拿极)本身的热电子发射数的统计涨落，位于低能区A。虽然其能量很低，但数目很多。(3)MCP离子噪声：来源于器件中被电离了的气体离子轰击MCP(打拿极)内壁产生的附加电子，其能量位于低能区A。(4)光阴极热发射噪声：来源于光阴极材料热发射电子数的统计涨落、并经MCP倍增的附加电子，位于中能区B。上一页下一页返回14.3MCP微光管中的噪声源及其脉冲高度分布

(5)光子噪声：来源于微光条件下光子数本身的统计涨落，经光阴极光电转换、MCP电子倍增的电子噪声，位于中能区B。(6)光子反馈噪声：来源于器件末端荧光屏的逆向光反馈，经与第(5)项同样的路径产生的噪声，位于中能区B。(7)离子反馈噪声：来源于电子飞行和倍增过程中离子反馈产生的电子噪声，位于高能区C。它们是管中残余气体被电离，产生正离子反馈并轰击光阴极－激发出光电子－经MCP倍增后诱发的电子噪声。上一页下一页返回14.3MCP微光管中的噪声源及其脉冲高度分布(8)离子噪声：来源于器件中与飞行电子无关的固有离子轰击光阴极，产生光电子并经MCP倍增引起的电子噪声，能量位于高能区C。

(9)宇宙射线辐射噪声：来源于宇宙射线中的塞伦柯夫(Cerenkov)辐射、通过光阴极光电转换/MCP倍增引起的电子噪声，能量位于更高的能区D。(10)放射性源辐射噪声：来源于MCP材料中或实验室墙壁中存在的放射性元素40K(钾40)和87Rb(铷87)的射线蜕变，经由MCP通道内产生的电子噪声，能量位于高能区D。上一页下一页返回14.3MCP微光管中的噪声源及其脉冲高度分布

(11)固定闪烁点：它虽然不是真正意义上的噪声，但也是一种视觉干扰，来源于器件内部表面间的场致发射。例如，光阴极上、柯伐零件上、MCP上以及荧光屏上的尖端放电点，能量位于能区C。(12)MCP固定图像噪声：来源于MCP单丝及复丝通道几何尺寸和电子特性的不均匀性而产生的一种固定图像噪声干扰，它没有固定的能量范围。上一页下一页返回14.3MCP微光管中的噪声源及其脉冲高度分布14.3.2MCP微光管中噪声的抑制为了提高MCP微光管的信噪比，降低其最小可探测灵敏阈，必须从设计、研制、生产和检测等各个环节上，采取严格措施，确保预定指标的实现。为此，人们进行了不懈努力，获得了以下成果。1.提高器件量子探测效率(1)采用GaAs光阴板，提高了第一光敏面的量子探测效率，延伸了响应长波限，改善了与星光光谱的匹配系数，提供了高的输入信噪比。上一页下一页返回14.3MCP微光管中的噪声源及其脉冲高度分布

(2)通过增大MCP输入开口面积比，蒸镀高二次发射系数MgO膜，优化MCP斜切角和输入电子能量等措施，提高了MCP对入射光电子数的利用率。(3)在不恶化信噪比特性前提下，优化MCP单丝长径比，提高电子增益和输出电流，进而扩大了MCP动态范围。(4)采用高效、短余晖、凹陷荧光屏，提高电光转换效率和响应速度，以适应末端高帧速CCD所需的高输入亮度、短弛豫要求。上一页下一页返回14.3MCP微光管中的噪声源及其脉冲高度分布2.抑制器件噪声的措施(1)制冷：把器件整体制冷，可大大降低光阴极和MCP中的热噪声。理论和实践证明，从室温制冷到0℃，CsSb、Na2KSb和GaAs光阴极的暗计数值可分别降低为原有值的1/10、1/15和1/10。(2)屏蔽：把器件放于铅盒中，可屏蔽实验室水泥墙壁中放射性元素40K对MCP引起的辐射噪声。(3)选择无放射性的MCP材料：MCP体材料及微光管其他元件所用之材料，应不含40K和87Rb等放射性元素，这样可以抑制辐射噪声。上一页下一页返回14.3MCP微光管中的噪声源及其脉冲高度分布

(4)对MCP/荧光屏组件进行彻底的电子清刷和老练。在10－7Pa下，用电子枪或紫外灯/紫外光阴极作电子源，对MCP/荧光屏组件进行电子清刷，可较彻底地消除MCP单丝通道内壁的残余气体，防止正离子产生，使器件提前度过增益不稳定时期。此举乃是降低令人厌烦的器件雪花噪声、真正实现单光电子PHD工作状态的最有效手段。(5)MCP输入面蒸镀离子壁垒膜。常用Al2O3或SiO2

防离子反馈膜(5nm)，以阻挡MCP电子倍增过程中产生的正离子反馈回光阴极，从而能消除高能区离子闪烁噪声。上一页下一页返回14.3MCP微光管中的噪声源及其脉冲高度分布

(6)采用弯曲MCP。上述离子壁垒膜的副作用是它损失了部分有用的入射电子能量，降低了MCP对光电子的收集效率。故可采取无Al2O3膜的弯曲通道MCP，减少离子动量，从而减小离子反馈回光阴极的概率。(7)改进器件设计和工艺，消除尖端放电源。为消除光阴极、MCP和荧光屏上各自的尖端放电点，应合理设计器件结构，改进工艺，以尽量减少碱金属，尤其是Cs原子对光阴极部位的污染，适当增加近贴成像距离，以适当降低场强。上一页下一页返回14.3MCP微光管中的噪声源及其脉冲高度分布(8)器件内杂散光之消除。采取荧光屏镀黑铝、增大MCP偏置(斜切)角、弯曲MCP、“人”字形或“之”字形多块MCP级联等措施，均有利于器件内部杂散光的消除，改善图像对比度。上一页下一页返回14.3MCP微光管中的噪声源及其脉冲高度分布14.3.3MCP微光管的脉冲高度分布(PHD)如果把以上所列的光电信号和噪声源，按照它们的能量大小展现于示波器上，则可得到器件输出的脉冲波形图，如图14-2(a)所示；若按脉冲数目与脉冲能量(高度)作图，则构成器件输出的脉冲高度分布(PHD)图，如图14-2(b)所示。上一页下一页返回14.3MCP微光管中的噪声源及其脉冲高度分布脉冲高度分布(PHD)通常称为器件输出的脉冲能量分布(能谱图)，或脉冲通道数分布(用脉冲通道分析器测绘)。PHD的物理意义是它表明了一个光电子成像系统输出脉冲中，所包含的信号及各类噪声电子能量的大小(高度或通道数)与其在总输出电子数中所占比例(频率)之间的关系。很显然，PHD一目了然地揭示了一个光电子探测成像系统的信号及噪声的组成及其影响，为系统增强信号、抑制噪声，提供了实验数据和改进方向；为全面理解PCIS的工作原理和优化设计奠定了基础。上一页返回14.4光子计数成像系统工作原理14.4.1多光子和单光子脉冲高度分布(PHD)要理解光子计数成像系统的工作原理，应首先区分系统的两类工作模式之输出脉冲高度分布：多光子PHD和单光子PHD。上一节列举的提高信号利用率和抑制噪声的多项措施，使器件达到一个非常好的直流(多光子)工作状态；同时也为把MCP成像器件与高帧速CCD耦合、实现单光电子PHD的光子计数工作模式，奠定了良好基础。图14-3给出了MCP微光器件两种工作模式的输出波形示意图。下一页返回14.4光子计数成像系统工作原理通常人们熟知的是器件的直流或多光(电)子事件(MultiplePhotonEvents，MPE)模式，或叫光强度分布“模拟”成像模式；另一种就是脉冲或单光(电)子事件(SinglePhotonEvent，SPE)模式，即单光子计数(PhotonCounting，PC)模式，进而，如果所用的电子倍增器被排成二维列阵(像捆绑PMTs，或MCP像增强ICCD)，则构成为光子计数成像器件。这两种工作模式具有完全不同的技术特点。上一页下一页返回14.4光子计数成像系统工作原理1多光(电)子直流工作模式(MPE)的特点(1)输入信号及其信噪比较大，用普通规格的光电倍增管PMT或MCP器件，即可完成特定的光电探测或成像任务。(2)在直流工作状态下，器件信号和噪声混在一起，经同等的倍增和显示。所以，其最小可探测灵敏阈受限于上述10余种噪声源的综合影响。在PHD中，高、中、低能区噪声均表现为对最终图像的视觉干扰。原则上，根本不可能用此方式探测到比噪声量级还要低的目标信号。上一页下一页返回14.4光子计数成像系统工作原理

(3)在PHD中，高能区和低能区噪声电子轰击荧光屏，会显示出相应的高、低不同的亮度，且随机地出现在不同的空间位置上。显然，它们并不代表被探测目标光信号强弱的空间分布之真实图像。这是因为，屏输出亮度除了正比于输入电子流密度以外，还与轰击它的由MCP输出的电子、离子的能量值有关，而这部分显示纯属噪声干扰的“假信息”。上一页下一页返回14.4光子计数成像系统工作原理2.单光(电)子脉冲工作(光子计数)模式(SPE)的特点(1)输入光子信号如此之弱，以致可把它们看成是一个个可以计数的光子事件。(2)用于光子计数模式工作的PMT和MCP器件必须是特制的，要求其暗计数速率很低(102个/cm2•s)。由此可见，14.3中介绍的各种抑制器件噪声的措施是不容忽视的。上一页下一页返回14.4光子计数成像系统工作原理

(3)光子计数器件必须具备单光(电)子PHD特性，即通过多块MCP级联、提高末级MCP电压和彻底进行电子清刷除气等工艺处理，使MCP器件的PHD由指数式［图14-4(a)］，变成有尽可能大峰谷比和脉冲高宽比的高斯单光(电)子PHD［图14-4(b)］。这样才能为后续光子计数模式的电子学处理，奠定良好基础。上一页下一页返回14.4光子计数成像系统工作原理

(4)在以上三项措施基础上，对器件输出信号施以脉冲幅度甄别等电子学处理，斩除低能热噪声和高能离子引起的闪烁噪声，而只让位于中能区的光电信号通过信道放大、处理和末端显示。可想而知，从总体效果上讲，用这种方法可以探测到比噪声水平低23个数量级的极其微弱的目标信号。上一页下一页返回14.4光子计数成像系统工作原理14.4.2光子计数成像系统工作原理光子计数成像系统(PCIS)的基本构成和工作原理如图14-5所示。图中，光子计数像管通过成像物镜1，把来自目标的光子流，经由其光阴极光电转换、MCP电子倍增、荧光屏显示，再现为一幅亮度得到增强的景物图像。像管电源控制器6提供像管各级工作电压及控制信号。如果该器件具备上述单光子计数模式工作的两个基本条件：极低的暗计数速率和单光(电)子PHD特性，则通过中继透镜3耦合到高帧速CCD摄像机5输出的视频图像，即可被视为由近百万个MCP微通道电子倍增器分别放大了的目标光电子二维图像。上一页下一页返回14.4光子计数成像系统工作原理其中，每一个微通道所提供的输出电子信号，具有如图14-4(b)所示的单光(电)子PHD特性，它包含了信号和各类噪声。它们经后续选通脉冲发生器7和视频图像处理器8中的幅度甄别器处理，斩除了复合信号中的高能离子闪烁噪声和低能MCP热噪声，而只让目标信息及光阴极热噪声信号通过，这样形成的复合信号，经计算机分析处理后送给末端TV显示器9，再现为一个信噪比得到大大改善的景物图像。这就是光子计数成像系统的基本工作原理。以上光子计数过程也可通过图中的高速摄影机4直接拍摄。上一页下一页返回14.4光子计数成像系统工作原理14.4.3光子计数成像系统信噪比特性的进一步提高由于上述脉冲幅度甄别器无法识别和斩除目标光电子信号能量相近的光阴极热噪声，因此，为了进一步提高光子计数器的信噪比，需采取如下三项措施：(1)光阴极制冷；(2)采用机械斩波法，或同步单光子计数法，SSPC(图14-6)。该方法通过(S＋N)－N，即通过机械快门开通期间的复合信号S＋N，减去关闭期间仍然存在的噪声信号N，即可求得真正的目标光信息信号S。上一页下一页返回14.4光子计数成像系统工作原理

(3)采用电子快门选通法，或时间分辨取样法，TRS(图14-7)。该方法对于研究分析受激辐射引起的物质超微弱光荧光或磷光现象，特别有效。图中，(c)代表受激荧光(或磷光)信号。带有可变延时功能的“加计数选通信号”(d)，对荧光信号(c)逐点扫描采样，先后得到复合信号(含光阴极热噪声信号)［a1，a2，…，ai］，［b1，b2，…，bi］，…，［l1，l2，…，li］；此外，减计数选通信号(e)只含有热噪声背景信号［s1，s2，…，st］。上一页下一页返回14.4光子计数成像系统工作原理在每次采样后，对上述两簇信号施以实时的电子学减法处理，即可得到信噪比明显改善了的输出信号［a1－s1，a2－s2，…，ai－si］，［b1－s1，b2－s2，bi－si］…［l1－s1，l2－s2，…li－si］，供末端显示。被检测放大后的荧光信号波形如图14-7(h)所示。上一页返回14.5光子计数成像系统特性参数14.5.1特性参数分类光子计数成像系统有20余项特性参数，可归纳为如下六大类。(1)量子探测效率：含光阴极量子效率、MCP对输入电子的收集效率、荧光屏电光转换效率和CCD光电探测效率等；(2)光电转换特性：含光子数增益、最大输出亮度和光电转换线性动态范围等；

(3)信噪比特性：含PHD、峰谷比、能量分辨率、暗计数、信号感生噪声、信噪比和噪声因子等；下一页返回14.5光子计数成像系统特性参数

(4)空间对比度传递特性：含静态和动态条件下的空间分辨率、MTF、畸变、视场均匀性和像对准特性等；(5)时间响应传递特性：含器件余晖或时间响应及频率响应PTF等；(6)其他特性参数：含几何尺寸、环境适应性、制冷条件及屏蔽特性等。以上大部分参数均可借用评价一般微光管的特性，进行定义和测试。本节只对与光子计数系统性能密切相关，而又比较特殊的参数定义和评价方法，作简单介绍。上一页下一页返回14.5光子计数成像系统特性参数14.5.2特性参数定义1.探测量子效率(DQE)把物镜、光阴极、MCP、荧光屏、CCD光敏面和电子处理器等作为一个线性系统链，并假定它们在信息传递过程中无任何附加噪声，那么，该光子计数系统的光量子总探测效率η总(％)为

很显然，在无附加噪声情况下，系统各个环节的转换或收集效率都具有重要的作用。上一页下一页返回14.5光子计数成像系统特性参数但实际上系统不可能不附加噪声。因此，根据信噪比传递理论，处于前级的物镜收集效率K物镜、光阴极量子效率η阴极和MCP输入面量子效率及其二次电子发射系数ηMCP，均占有举足轻重的地位。基于这一点，人们在设计和研制光子计数成像系统时，首先考虑要有大的物镜口径、高灵敏度的光阴极(如用GaAs光阴极代替S20光阴极)，并采取为提高ηMCP所需的大开口面积比、蒸镀MgO膜和用弯曲MCP代替带Al2O3离子壁垒膜的MCP等措施，来拾取和检测非常珍贵的一个个输入光子及光电子信息。这样，才能为后续各级有效的电子倍增、电光转换、CCD光子计数处理和荧光屏再现，创造良好的条件。上一页下一页返回14.5光子计数成像系统特性参数2.脉冲高度分布(PHD)特性如前所述，MCP微光管光子计数器应具备单光子脉冲高度分布(PHD)特性。但PHD特性的好坏，要借PHD的“峰谷比”和“能量分辨率”两个特性参数进行评价。3.PHD峰谷比，PVR

上一页下一页返回14.5光子计数成像系统特性参数4.光子计数器脉冲能量分辨率，RE

很显然，PVR愈大，RE愈小，说明该光子计数成像系统性能愈好。5.暗计数速率，nd无输入光照下器件的暗计数速率(计数/cm2•s)，可用标准光子计数模式工作的光电倍增管测得；也可通过器件的暗背景照度(lx)或亮度(cd/m2)测试结果算出。计算时，需要用到1lx＝1.6×1016光子数/cm2•s的当量关系。上一页下一页返回14.5光子计数成像系统特性参数6.信号诱生背景比，Z微光管中最难消除的噪声源是信号诱生噪声，如器件内部的杂散光、电子倍增过程诱生的离子反馈背景和非成像电子的散射信号等。器件信号诱生背景比Z，被定义为

测量时，用2mm宽的挡板放于器件的输入面上，并施以均匀的光照，分别测出器件工作时的无光照背景信号St，有光照时的暗区信号Sd和亮区信号Sb，然后按照(14-4)式，计算出Z值。上一页下一页返回14.5光子计数成像系统特性参数7.信噪比S/N系统的S/N等于在规定频宽f下测得的输出信号峰－峰值与输出噪声方均根值之比。8.噪声因子NF

可见，NF≥1，而且，NF愈接近于1，说明器件信噪比特性愈好。在评价系统噪声特性时，NF通常比S/N参数更具有实用价值。上一页下一页返回14.5光子计数成像系统特性参数9.光子数增益，Gn在直视微光器件评价中，通常给出的是器件的亮度增益GL(cd/m2/lx)；而光子计数器成像技术中，人们更关心的是它与光子数(速率)增益Gn之间的关系Gn＝GLCn(14-6)式中：Cn是考虑到两种被测光源－荧光屏和色温2856K光源，对探测器(照度计)的不同光谱匹配系数而标定的校正系数，其值可用下式通过数值积分法求得：上一页下一页返回14.5光子计数成像系统特性参数

式中：W屏(λ)、W灯(λ)和Φ(λ)分别是荧光屏、2856K白炽灯的辐射光谱和照度计视见函数分布。上一页下一页返回14.5光子计数成像系统特性参数10.光电动态范围(或消光比)被定义为最小可探测光子流速率id与最大光子流速率im间的范围，通常为103106

计数/cm2•s。id决定于器件的暗计数速率(计数/cm2•s)；im受限于CCD器件像元的满阱电荷密度(事件数/cm2•s)。11.最高输出亮度，Lmax，(cd/m2)对于高帧速CCD，分摊到每个特征面元上的输入光子数是有限的，因此，微光管荧光屏应具有足够的屏输出亮度。例如，对128×128CCD的每个单元，满阱容量为106

电子数/面元，单元尺寸为45×45m2，此时，若令光收集效率为1时，则所需的屏输出亮度应高于139cd/m2，或8.09×1015个光子/cm2•s。上一页下一页返回14.5光子计数成像系统特性参数12.时间响应传递特性，τ(s)MCP微光管的时间响应主要受限于荧光屏的余晖。在光阴极－MCP－荧光屏的电子转换/倍增/显示过程中，电子的渡越时间是ns级，而荧光屏的余晖或弛豫时间在ms级(P－20屏、P－39屏)，个别在s级(如P－46屏，即YAG屏)。屏余晖用脉冲光照关断后，屏亮度由初始值(100％Lo)降为10％Lo所经历的时间来测定。微光管级联级数越多，余晖拖尾现象愈严重。测量结果表明，对P－20屏单级微光管，级联后的余晖值分别为10ms(一级)、30ms(二级)和50ms(三级)。短余晖是微光管成功耦合到高帧速CCD上的必要条件之一。上一页返回14.6光子计数成像系统(PCIS)总体性能分析14.6.1PCIS总体性能要求理论和实践表明，对PCIS系统，通常会提出5个方面的基本要求：(1)应能分辨输入像面上一定尺寸大小的特征面元(ω，mm)，或有足够的像面空间分辨率1/2ω，(lp/mm)；(2)应具有尽可能低的等效输入背景(或读出噪声)，以探测到更加微弱的输入信号；下一页返回14.6光子计数成像系统(PCIS)总体性能分析

(3)应具有尽可能宽的动态工作范围(或尽可能高的饱和工作照度)，与第(2)条要求一起，共同提供更多的灰度层次，以利于最终的图像识别；(4)应提供标准数字式视频信号，并交由计算机高速处理和显示；(5)应具有足够快的时间分辨率，以便对运动中的、超微弱的二维光子流进行成像分析。上一页下一页返回14.6光子计数成像系统(PCIS)总体性能分析在这些一般性要求中，第(1)条规定了该PCIS的最终任务，即完成对一定尺寸大小之特征面元对象的识别和分析。例如，医学生物显微镜用来观测受检者血液中红细胞的形状、透明度、聚集程度、流动性等指标进行检测，这些指标关系到一个人血液的质量及其病态程度，因此，人们关心的是否能准确地分辨开一个个红细胞的形状、聚集度和其上透过率的变化。根据医学常识，人的一个红细胞的直径大约为1m，经1000倍的显微镜放大后，成在系统像面上的红细胞尺寸为1mm，相应的对该特征面元的分辨率为0.5lp/mm；上一页下一页返回14.6光子计数成像系统(PCIS)总体性能分析然而，要分辨红细胞的形状，至少要8倍于此值的分辨率，即4.0lp/mm(相应特征面元的尺寸为0.125mm)。对于常规照明条件下的光电子成像系统而言，4.0lp/mm的空间分辨率似乎并不难办到，然而，对于超微弱光荧光显微成像系统，就不那么容易了，因为，正如我们在第七章所指出的那样，此时的分辨率要受到光子数统计涨落的限制，系统的分辨能力会大大下降。这正是本节将要讨论的主题，即分析PCIS像面空间分辨率及其内外部制约因素。上一页下一页返回14.6光子计数成像系统(PCIS)总体性能分析14.6.2PCIS总体性能评价分析1.PCIS之分辨能力级别PCIS对像面上目标的分辨能力可分三个级别，按常规，它们的相应特征面元大小(ω)、空间分辨率(1/2ω)分别为：“探测”，只能判断目标的有无，而不知其为何物，1.00ω，1lp/mm；“识别”，能辨别目标轮廓，知其为何类东西，0.25ω，4lp/mm；“辨认”，能辨别目标细节，判定其为何物，0.125ω，8lp/mm；上一页下一页返回14.6光子计数成像系统(PCIS)总体性能分析2.光子数受限条件下PCIS像面空间分辨率上述PCIS分辨目标的三个级别条件要受到落入该像面特征面元上光子数多少的限制，对于同一个系统，当其他条件不变时，随着光子数的减少，相邻面元间的对比度(光子数相差百分比)受光子数统计涨落规律支配而下降，原来可以达到“辨认”级别能力的系统，现在只能转求其次，去“识别”和“探测”目标了！甚至什么也看不到。关于这一方面的理论分析已在本书第七章做了全面介绍。这里只是应用它的相关结果来说明光子数受限条件下PCIS的最小分辨角问题。上一页下一页返回14.6光子计数成像系统(PCIS)总体性能分析根据第七章公式(7-64)，PCIS像面空间分辨率可由下列分辨角α公式算出

式中：景物参数：W———目标尺寸(m)；ω———像面上特征面元尺寸(mm)；R———视距(m)；ρ0———目标反射率(或透过率)(％)；上一页下一页返回14.6光子计数成像系统(PCIS)总体性能分析环境条件：τ大气———大气透过率(％)；E0———辅助光源在目标上的照度(lx)；物镜参数：D———口径(mm)，f———焦距(mm)；τ物镜———透过率(％)；器件参数：η———光敏面量子效率(％)；t———采样累积时间(s)；C———像面目标特征面元对比度(％)，C＝(na－nb)/na；上一页下一页返回14.6光子计数成像系统(PCIS)总体性能分析视觉参数：(S/N)a———相邻特征面元信噪比，σ＝1.3×1016个光子/lm。需要强调指出的是，这里的相邻特征面元信噪比(S/N)a在有的文献中，称其为作出视觉判断正确性的所谓“可信度系数K”，可信度愈高，判断的不确定性愈小，它们之间的关系是：(S/N)a或可信度系数K：12345视觉判断的不确定性：3.173×10－14.55×10－22.7×10－36×10－56×10－7上一页下一页返回14.6光子计数成像系统(PCIS)总体性能分析这组数据充分说明了为什么PCIS应具有尽可能低的等效背景输入照度(或低的读出噪声)的原因，因为只有这样才能获得尽可能高的相邻特征面元间的信噪比，或高的正确视觉判断概率。此外，上述像面目标特征面元对比度C＝(na－nb)/na，与MTF理论中的调制度M＝(na－nb)/(na＋nb)间的换算关系是：C(N)＝2M(N)/(1＋M(N))(14-9a)M(N)＝C(N)/(2－C(N))(14-9b)上一页下一页返回14.6光子计数成像系统(PCIS)总体性能分析很显然，像面上的特征面元对比度或调制度是由景物、大气、物镜、器件和电子各个环节MTF联乘的结果，据此可以分析各级Mi(N)对系统总的M系统(N)的影响。利用特征面元尺寸ω(mm)与空间频率N(lp/mm)间的转换关系(N＝1/2ω)和式(149a)，把式(14-8)变为对像面上特征面元的分辨率(lp/mm)上一页下一页返回14.6光子计数成像系统(PCIS)总体性能分析

式中：σ＝1.3×1016光子/(lm•s)。为考察系统光子数受限条件下的像面分辨率Na与景物照度E0(lx)，以及系统MTF特性M(Na)、物镜相对孔径D/f间的关系，令采样累积时间(P20荧光屏)t＝10－2s，ρ0＝0.3，τ物镜τ大气＝0.8，η＝0.2，(S/N)a＝2(对应的可分辨的不确定度为4.55％)，代入(14-10b)式，得上一页下一页返回14.6光子计数成像系统(PCIS)总体性能分析

可见在特征面元光子数受限情况下，Na与(E0)1/2呈正比关系，但不会无限增大，而趋于器件的极限分辨率Nm，二者共同决定了系统在像面上的分辨率Ns由下式给出

上一页下一页返回14.6光子计数成像系统(PCIS)总体性能分析利用式(14-11)和式(14-12)，令D/f＝1.5，并以系统的MTF(M＝0.8，0.6和0.2)和极限分辨率Rm(Rm＝60、40和20lp/mm)为参变量，绘制PCIS像面分辨率Ra与目标照度E0

之间的关系曲线，如图14-8所示。3.式(14-11)及式(14-12)的物理意义(1)Ra与目标照度的1/2次方E01/2成正比，最低分辨率受限于系统的最低等效背景输入照度Emin；随着目标照度增大到10－6lx，Q趋近于系统的极限分辨率Rm；上一页下一页返回14.6光子计数成像系统(PCIS)总体性能分析(2)相同Rm(例如20lp/mm)条件下，系统的MTF对光子数受限下系统像面分辨率也有明显的影响；(3)式(14-11)和式(14-12)及其图解方法为光子计数成像系统的设计提供了技术思路。通常需分别考虑公式中各个参量对Ra的不同影响，并采取相应有效措施，方可研制出一个满意的PCIS系统。上一页返回14.7光子计数成像系统应用举例光子计数成像系统以其亮度增益高、等效输入噪声低、响应速度快和易于视频处理控制及智能化等特点，在天文、物理、化学、生物、医疗和光电子能谱分析等诸多领域里，具有重要实用价值。本节仅以它在天文自适应光学望远镜(波前畸变传感器)和生物医学超微弱光荧光显微诊断技术中的应用，分别作简单介绍。下一页返回14.7光子计数成像系统应用举例14.7.1PCIS在天文望远镜技术上的应用1.技术必要性天文望远镜系统的根本任务是观测遥远的星体；尤其是现在，随着军事技术的高度发展，对间谍卫星和洲际导弹的侦察、预警和跟踪，以及激光战略武器的聚能定向等任务的需求愈来愈迫切，对PCIS的技术要求愈来愈高。这一高新技术面临的两大主要技术障碍：一是所能收到的目标图像信号非常之弱，以至被各类背景和噪声所淹没；二是由于大气湍流、超大口径光学系统内部温度变化和不同观测方向下与重力的相对方向变化等因素，使现有56m口径天文望远镜的实际观测分辨率还不比0.10.2m口径的望远镜高。上一页下一页返回14.7光子计数成像系统应用举例究其原因是上述诸因素使远程目标光波波面在传播过程中不断发生时－空畸变的结果。我们知道，由遥远星体或飞行物通过均匀介质传来的光波波面应该是平面波，但实际上传播过来的却是经过大气湍流扰动的非平面波，即其介质各点的相位(或折射率)随时间不停地发生着变化，如果不能探测到这种时－空变化、并实时地予以补偿和校正，就不可能获取一幅幅清晰的图像，更谈不上实时预警和跟踪了。正是这种强烈的军事需求和相关科学技术的支撑，推动着光子计数成像技术在近30年来的不断成熟和发展。上一页下一页返回14.7光子计数成像系统应用举例2.PCIS在天文自适应光学望远镜波前传感器上的应用一个典型的天文自适应光学望远镜系统(图14-9)通常由波前传感器、波前控制器和波前校正器三个子系统组成。波前传感器实时测量从目标或附近信标传来的波前误差；波前控制器把波前传感器所测得的波前畸变信息转化成波前校正器的控制信号，以实现自适应光学系统的闭环控制；波前校正器将波前控制器提供的信号转变为波前相位变化，反其相而行之，以校正光波波前的畸变。上一页下一页返回14.7光子计数成像系统应用举例本章所涉及的只是上述天文望远镜系统中的波前传感器子系统，如图14-10所示。它被称为哈特曼传感器(得名于Hatemann

Shack波前校正法)，像面上均匀排列着几十个到近百个透镜组成的阵列，它们把畸变波前分别成像于像增强ICCD或EBCCD光阴极面上，变为二维光电子数分布，经过电子倍增、荧光屏电光转换为亮度得到104106

倍增强的可见光图像，继而通过CCD变为数字视频图像，并交由计算机进行处理和计算。上一页下一页返回14.7光子计数成像系统应用举例由于在各子孔径内的波前倾斜会造成光斑的横向漂移，因此，通过测量光斑中心在两个方向上的漂移量，即可计算出个子孔径范围内的波前在两个方向上的平均斜率，从而实时地告知波前控制器－波前校正器做相应的反向补偿。上述计算各子孔径光斑中心的公式是：

上一页下一页返回14.7光子计数成像系统应用举例上式中：Gx，Gy———波前斜率(rad/m)；