一種微光超快高重頻成像探測裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微光超快高重頻成像探測裝置與方法。包括光學(xué)信號接收導(dǎo)入組件、依次設(shè)置在光學(xué)信號接收導(dǎo)入組件后方的像增強器、耦合組件、CCD、CCD成像及信號處理模塊；還包括用于控制像增強器的觸發(fā)控制單元。本發(fā)明提供了一種本發(fā)明能夠?qū)ξ⑷酰斓墓庑盘栠M行增強，并使其產(chǎn)生一定時間延遲，同時觸發(fā)高幀頻CCD以圖像形式記錄增強后的光信號，從而完成對微弱超快的光學(xué)現(xiàn)象進行高頻率探測和記錄的一種微光超快高重頻成像探測裝置與方法。
【專利說明】一種微光超快高重頻成像探測裝置與方法
[0001]所屬領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種微光探測裝置與方法，尤其涉及一種微光超快高重頻成像探測裝置與方法。

【背景技術(shù)】
[0003]微光超快是指自然界經(jīng)常發(fā)生的光學(xué)現(xiàn)象的特征之一，這種現(xiàn)象主要有三個特點，一是光能量較弱，表現(xiàn)為低照度，或單位面積的有效光子數(shù)僅有幾個到幾十個光子。二是這種光學(xué)現(xiàn)象持續(xù)的時間較短，常常只有幾十納秒。三是這種現(xiàn)象的重復(fù)頻率有可能達(dá)到每秒幾百次到上千次。隨著的空間天文學(xué)領(lǐng)域的觀測對象的擴充，越來越多的天文現(xiàn)象均屬于微光超快現(xiàn)象；微光超快現(xiàn)象很難探測和記錄，特別是很難以直觀成像的方式記錄下來，因此研制一種超快微光成像系統(tǒng)具有重要意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決【背景技術(shù)】中所存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種微光超快高重頻成像探測裝置與方法。用于捕獲微弱超快的光信號或光現(xiàn)象，并將其以圖像的形式記錄下來。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:一種微光超快高重頻成像探測裝置，其特殊之處在于:包括光學(xué)信號接收導(dǎo)入組件、依次設(shè)置在光學(xué)信號接收導(dǎo)入組件后方的像增強器、耦合組件、(XD、CXD成像及信號處理模塊；還包括用于控制像增強器的觸發(fā)控制單元；
[0006]上述CXD成像及信號處理模塊包括依次連接用于完成高幀頻大面陣CXD驅(qū)動信號產(chǎn)生和輸出的CCD驅(qū)動板、高幀頻大面陣CCD輸出視頻信號處理的AD轉(zhuǎn)換板、高幀頻大面陣CCD多路輸出信號拼接的數(shù)據(jù)處理板、圖像傳輸與指令接收解析執(zhí)行的接口板；
[0007]上述觸發(fā)控制單元包括光電倍增管、信號邏輯判讀單元、像增強器電源與高壓控制模塊；所述光信號通過光電倍增管傳入信號邏輯判讀單元，再通過接口板將外觸發(fā)信號傳遞到像增強器電源與控制模塊以控制像增強器開門時間；
[0008]上述接口板分別與電源模塊和用于采集數(shù)據(jù)的采集卡及用于分析數(shù)據(jù)的計算機連接；
[0009]上述光電倍增管為單光子靈敏光電倍增管；
[0010]上述信號判讀邏輯單元的外觸發(fā)脈沖生成時間小于50nS ；
[0011]上述耦合組件為光錐耦合組件或中繼鏡耦合組件；
[0012]上述CXD為高幀頻大面陣CXD ;
[0013]上述光學(xué)信號接收導(dǎo)入組件為鏡頭或光纖束；
[0014]上述耦合組件在入射光下限小于10個光子，動態(tài)范圍超過1000的情況下為光錐耦合組件；上述耦合組件在入射光下限超過100光子，動態(tài)范圍小于100的情況下為中繼鏡奉禹合組件；
[0015]一種微光超快成像探測裝置的探測方法，其特殊之處在于:
[0016]具有以下步驟:1】根據(jù)待測微光超快光源或現(xiàn)象的光學(xué)屬性設(shè)定微光超快成像裝置的工作模式、像增強器增益、像增強器開門時間、CXD曝光時間和CXD增益；
[0017]1.1]當(dāng)像增強器的觸發(fā)控制單元處于關(guān)閉時，所述微光超快成像探測裝置處于連續(xù)工作模式；
[0018]1.2]當(dāng)像增強器的觸發(fā)控制單元處于開啟時，所述像增強器處于陰極常開模式或陰極常關(guān)模式；
[0019]2】待測微光超快光源或現(xiàn)象發(fā)射出的光信號穿過光學(xué)信號接收導(dǎo)入組件的同時被單光子靈敏的光電倍增管接收，經(jīng)信號判讀邏輯單元產(chǎn)生外觸發(fā)信號。像增強器和CCD按照設(shè)定工作模式的時序關(guān)系完成陰極開門和CCD曝光操作；
[0020]3】待測微光超快光源或現(xiàn)象發(fā)射出的光信號穿過光學(xué)信號接收導(dǎo)入組件，在像增強陰極打開的情況下，利用像增強器微通道板對光信號進行放大，放大后的光信號到達(dá)像增強器的熒光屏，利用熒光屏的余輝使得光信號在像增強器的熒光屏有一定的延遲時間；
[0021]4】放大并延時后的光信號通過耦合組件到達(dá)CXD ;
[0022]5】(XD曝光后產(chǎn)生視頻信號，由CXD成像及信號處理模塊進行信號整理輸出后，由采集卡完成高靈敏高幀頻大面陣CCD輸出信號的采集。
[0023]上述步驟5，先利用采集卡上的串口和計算機上的串口，分別與像增強器高壓與控制模塊及CXD成像及信號處理模塊進行通信，完成工作模式設(shè)置、像增強器增益調(diào)節(jié)、CXD曝光及增益調(diào)節(jié)；然后計算機對采集卡進行配置，通過調(diào)用驅(qū)動程序與采集卡進行數(shù)據(jù)交互，CCD成像與信號處理模塊輸出圖像的同時，以幀同步信號作為采集卡觸發(fā)信號，通知采集卡進行圖像采集。
[0024]本發(fā)明的優(yōu)點是:本發(fā)明能夠?qū)ξ⑷酰斓墓庑盘栠M行增強，并使其產(chǎn)生一定時間延遲，同時觸發(fā)高幀頻CCD以圖像形式記錄增強后的光信號，從而完成對連續(xù)或隨機發(fā)生的微弱超快光學(xué)現(xiàn)象進行探測和記錄，最高重復(fù)工作頻率可達(dá)到每秒1000幀。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]其中，1-光電倍增管、2-信號邏輯判讀邏輯單元、3-標(biāo)準(zhǔn)鏡頭接口、4-像增強器電源與控制模塊、5-像增強器、6-耦合組件、7-高幀頻大面陣(XD、8-(XD成像及信號處理模塊、9-電源模塊、10-采集卡、11-計算機、801-CCD驅(qū)動板、802-AD轉(zhuǎn)換板、803-數(shù)據(jù)處理板、804-接口板。

【具體實施方式】
[0027]該探測系統(tǒng)包括光電倍增管1，信號判讀邏輯單元2，標(biāo)準(zhǔn)鏡頭接口 3，像增強器電源與控制模塊4，像增強器5，光錐耦合組件601或中繼鏡耦合組件602，高幀頻大面陣CCD7，CCD驅(qū)動板801，AD轉(zhuǎn)換板802，數(shù)據(jù)處理板803，接口板804，電源模塊9，采集卡10，計算機U。所述光電倍增管I，信號判讀邏輯單元2構(gòu)成微光超快成像系統(tǒng)的外觸發(fā)信號生成部分。標(biāo)準(zhǔn)鏡頭接口3可以連接標(biāo)準(zhǔn)鏡頭或光纖束等作為光學(xué)信號的輸入端。像增強器5，光錐耦合組件601或中繼鏡耦合組件602，高幀頻大面陣CCD7依次構(gòu)成微光放大成像光路。像增強器電源與控制模塊4，CXD驅(qū)動板801，AD轉(zhuǎn)換板802、數(shù)據(jù)處理板803、接口板804、電源模塊9，采集卡10，計算機11構(gòu)成微光超快成像系統(tǒng)的電子學(xué)部分，其中CCD驅(qū)動板801完成高幀頻大面陣CCD驅(qū)動信號產(chǎn)生和輸出，AD轉(zhuǎn)換板802接收高幀頻大面陣CCD輸出的視頻信號并完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理板803進行高幀頻大面陣CCD多路輸出信號的拼接，接口板804完成與圖像采集卡的數(shù)據(jù)傳輸和指令接收解析執(zhí)行，與插入計算機11的高速Camera link圖像采集卡10進行連接和通訊,計算機11可以通過圖像采集卡10的串口向CXD成像及信號處理模塊發(fā)送控制命令，完成系統(tǒng)工作模式的切換，高幀頻大面陣CCD曝光時間設(shè)置，CCD增益調(diào)節(jié)，像增強器增益調(diào)節(jié)，像增強器開門時間設(shè)置。高幀頻大面陣CCD7獲取微光超快現(xiàn)象的視頻信號，經(jīng)過CCD驅(qū)動板801，AD轉(zhuǎn)換板802、數(shù)據(jù)處理板803、接口 804的高幀頻圖像數(shù)據(jù)被高速Camera link圖像采集卡10采集，圖像采集根據(jù)系統(tǒng)工作模式進行調(diào)整。計算機11通過串口向像增強器電源與控制模塊4發(fā)送指令，像增強器電源與控制模塊4對指令進行解析執(zhí)行，完成對像增器的增益設(shè)置，像增強器開門時間的設(shè)置。像增強器電源與控制模塊4接收由信號判讀單元輸出的觸發(fā)信號，按照不同工作模式下的時序要求，控制像增強陰極的選通和高幀頻大面陣CCD7的曝光。
[0028]像增強器5對從標(biāo)準(zhǔn)鏡頭接口 3輸入的光學(xué)信號進行放大，放大后的光學(xué)信號成像在像增強器5的熒光屏上，熒光屏上的圖像能夠維持若干毫秒，并通過光錐耦合組件601或中繼鏡耦合組件602耦合到高幀頻大面陣CCD7上，高幀頻大面幀CCD7及時曝光，就可以將瞬間的微光現(xiàn)象以圖像形式記錄下來。
[0029]系統(tǒng)響應(yīng)的光的譜段范圍由像增強器5光陰極響應(yīng)波長(由光陰極材料決定，一般為200nm-900nm)、光錐耦合組件601或中繼鏡耦合組件602 (可根據(jù)系統(tǒng)要求進行設(shè)計)、高幀頻大面陣CCD7的光譜響應(yīng)(一般為350-950nm)特征共同決定，可以響應(yīng)可見光近紅外譜段范圍(350-900nm)的光信號。
[0030]本發(fā)明具有一個連續(xù)工作模式和兩個外觸發(fā)工作模式。連續(xù)工作模式不接收外觸發(fā)信號，選擇依據(jù)為待測微光超快光源或現(xiàn)象為高頻連續(xù)事件。外觸發(fā)模式一為像增強器陰極常開模式，僅當(dāng)外觸發(fā)信號到達(dá)一定時間(陰極選通脈沖寬度)后關(guān)閉，這種模式選擇依據(jù)為微光超快光源或現(xiàn)象的持續(xù)時間小于100nS。外觸發(fā)模式二為像增強器陰極常關(guān)模式，僅當(dāng)外觸發(fā)信號到達(dá)后開啟一定時間(陰極選通脈沖寬度)，這種模式選擇依據(jù)為微光超快光源或現(xiàn)象的持續(xù)時間大于100nS。
[0031]連續(xù)工作模式不需要外觸發(fā)信號，以固定幀頻1000幀/秒輸出圖像，像增強器5的陰極為常開狀態(tài)，也可以通過計算機11發(fā)送指令，在O?Ims范圍內(nèi)調(diào)節(jié)像增強器開門時間或在O?Ims范圍內(nèi)調(diào)節(jié)CXD曝光時間，使得入射光在CXD像面上成像清晰但不飽和，像增強器開門與CCD曝光同步進行。
[0032]當(dāng)裝置被設(shè)置成外觸發(fā)工作模式，當(dāng)收到外觸發(fā)信號后裝置才開始工作，平時處于等待狀態(tài)，像增強器具有兩種外觸發(fā)工作模式，一種是像增強器常開模式，像增強器5陰極平時即為開啟狀態(tài)，當(dāng)外部觸發(fā)信號到來時，高幀頻大面陣CCD7開始曝光，像增強器5延續(xù)開啟一段時間(與光源或光現(xiàn)象的持續(xù)時間等長或略長)后關(guān)閉，高幀頻大面陣CCD7曝光結(jié)束后，重新打開像增強器5，等待下一次觸發(fā)信號的到來。一種是像增強器常閉模式，像增強器5陰極平時即為關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)外部觸發(fā)信號到來時，高幀頻大面陣CCD7開始曝光，同時像增強器5的陰極迅速打開一段時間(與光源或光現(xiàn)象的持續(xù)時間等長或略長)后關(guān)閉，在高幀頻大面陣CCD曝光結(jié)束前，外觸發(fā)信號無效。
[0033]數(shù)據(jù)處理板803上的FPGA產(chǎn)生低壓觸發(fā)脈沖，將觸發(fā)脈沖作為像增強器電源與控制模塊4的輸入，在像增強器電源與控制模塊4輸出端形成低壓-200V，高壓+50V的陰極選通正脈沖，其脈沖寬度與FPGA產(chǎn)生的低壓輸入觸發(fā)脈沖相同，決定了像增強器陰極選通時間。
[0034](XD具有聞巾貞頻,巾貞頻能夠達(dá)到1000巾貞/秒；大面陣，具有百萬像素；聞靈敏，量子效率能夠達(dá)到50%以上。
[0035]可以獲得時間分辨率為1000幀/秒的圖像，可以近乎實時給出微光超快現(xiàn)象的圖像。
[0036]能夠完成從像增強器5輸出到高幀頻大面陣CCD7輸入之間的光學(xué)耦合，可以用光錐601實現(xiàn)耦合，也可以用中繼鏡602實現(xiàn)耦合。
[0037]該方法是:利用單光子敏感光電倍增管I接收超快弱光信號，經(jīng)信號判讀邏輯單元2產(chǎn)生外觸發(fā)脈沖，觸發(fā)像增強器5和高幀頻大面陣CCD7按照設(shè)定工作模式的時序關(guān)系進行工作。在不同工作模式下，充分利用像增器5的陰極選通功能，及時獲取信號并降低背景噪聲的積累。
[0038]利用像增強器5對超快弱光信號進行放大和延遲，同時使得高幀頻大面陣CCD7及時的進行曝光，從而獲取微光超快現(xiàn)象的圖像。
[0039]下面以圖1為實施例，說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征，技術(shù)性能和效果。本實施例中，單光子靈敏光電倍增管I接收微光超快信號，經(jīng)邏輯判讀單元2產(chǎn)生外觸發(fā)脈沖。微光超快高重頻成像探測裝置的輸入接口為標(biāo)準(zhǔn)鏡頭接口 3，可以連接標(biāo)準(zhǔn)鏡頭或具有標(biāo)準(zhǔn)鏡頭接口的光纖面板，光纖束等。像增強器5可以對通過標(biāo)準(zhǔn)鏡頭或光纖面板或標(biāo)準(zhǔn)鏡頭輸入的微弱的光信號進行放大，放大后的光信號到達(dá)像增強器的熒光屏，利用熒光屏的余輝產(chǎn)生一定的延遲。放大并延遲后的光信號通過耦合組件6到達(dá)(XD，高靈敏高幀頻大面陣(XD7，CXD驅(qū)動板801，AD轉(zhuǎn)化板802，數(shù)據(jù)處理板803，接口板804，電源模塊9及像增強器電源及控制模塊4共同構(gòu)成微光超快高重頻成像探測裝置的電子學(xué)部分，完成增強及延遲后的光信號的接收及處理。計算機11運行相關(guān)圖像采集與控制軟件，通過采集卡10完成高靈敏高幀頻大面陣CCD輸出信號的采集，并利用采集卡10上的串口和計算機11上的串口，分別與像增強器電源與控制模塊及CCD成像及信號處理模塊完成各種參數(shù)設(shè)置及通訊。計算機11及采集卡10配合完成圖像采集和系統(tǒng)控制功能。
[0040]如圖1所示，耦合組件可以為光錐，也可以是中繼鏡，光錐耦合具有較高的耦合效率，中繼鏡耦合具有較好的穩(wěn)定性(即環(huán)境適應(yīng)性)，耦合組件可以更換。
[0041]本發(fā)明利用單光子靈敏的光電倍增管對微光超快信號進行快速探測判讀，產(chǎn)生外觸發(fā)信號觸發(fā)像增強器和CCD按照設(shè)定工作模式的時序關(guān)系工作。利用像增強器對超快弱光信號的放大和延遲功能，通過合理選通像增強器陰極，同時使得高靈敏高幀頻大面陣CXD及時的進行曝光，從而獲取微光超快現(xiàn)象的圖像，重復(fù)工作頻率可達(dá)1000幀/秒。
【權(quán)利要求】
1.一種微光超快高重頻成像探測裝置，其特征在于:包括光學(xué)信號接收導(dǎo)入組件、依次設(shè)置在光學(xué)信號接收導(dǎo)入組件后方的像增強器、耦合組件、CCD、C⑶成像及信號處理模塊；還包括用于控制像增強器的觸發(fā)控制單元； 所述CXD成像及信號處理模塊包括依次連接用于完成高幀頻大面陣CXD驅(qū)動信號產(chǎn)生和輸出的CCD驅(qū)動板、高幀頻大面陣CCD輸出視頻信號處理的AD轉(zhuǎn)換板、高幀頻大面陣CCD多路輸出信號拼接的數(shù)據(jù)處理板、圖像傳輸與指令接收解析執(zhí)行的接口板； 所述觸發(fā)控制單元包括光電倍增管、信號邏輯判讀單元、像增強器電源與控制模塊；所述光信號通過光電倍增管傳入信號邏輯判讀單元，再通過接口板將外觸發(fā)信號傳遞到像增強器高壓與控制模塊以控制像增強器開門時間； 所述接口板分別與電源模塊和用于采集數(shù)據(jù)的采集卡及用于分析數(shù)據(jù)的計算機連接; 所述光電倍增管為單光子靈敏光電倍增管； 所述信號判讀邏輯單元的外觸發(fā)脈沖生成時間小于50nS ； 所述耦合組件為光錐耦合組件或中繼鏡耦合組件； 所述CXD為高幀頻大面陣CXD。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微光超快高重頻成像探測裝置，其特征在于:所述光學(xué)信號接收導(dǎo)入組件為鏡頭或光 纖束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微光超快成像探測裝置，其特征在于:所述耦合組件在入射光下限小于10個光子，動態(tài)范圍超過1000的情況下為光錐耦合組件；所述耦合組件在入射光下限超過100光子，動態(tài)范圍小于100的情況下為中繼鏡耦合組件。
4.基于權(quán)利要求1所述的一種微光超快高重頻成像探測裝置的探測方法，其特征在于:具有以下步驟: I】根據(jù)待測微光超快光源或現(xiàn)象的光學(xué)屬性設(shè)定微光超快高重頻成像裝置的工作模式、像增強器增益、像增強器開門時間、CXD曝光時間和CXD增益； 1.1]當(dāng)像增強器的觸發(fā)控制單元處于關(guān)閉時，所述微光超快成像探測裝置處于連續(xù)工作模式； 1.2]當(dāng)像增強器的觸發(fā)控制單元處于開啟時，所述像增強器處于陰極常開模式或陰極常關(guān)模式； 2】待測微光超快光源或現(xiàn)象發(fā)射出的光信號穿過光學(xué)信號接收導(dǎo)入組件的同時被單光子靈敏的光電倍增管接收，經(jīng)信號判讀邏輯單元產(chǎn)生外觸發(fā)信號，像增強器和CCD按照設(shè)定工作模式的時序關(guān)系完成陰極開門和CCD曝光操作； 3】待測微光超快光源或現(xiàn)象發(fā)射出的光信號穿過光學(xué)信號接收導(dǎo)入組件，在像增強陰極打開的情況下，利用像增強器微通道板對光信號進行放大，放大后的光信號到達(dá)像增強器的熒光屏，利用熒光屏的余輝使得光信號在像增強器的熒光屏有一定的延遲時間； 4】放大并延時后的光信號通過耦合組件到達(dá)CCD ； 5】(XD曝光后產(chǎn)生視頻信號，由CXD成像及信號處理模塊進行信號整理輸出后，由采集卡完成高靈敏高幀頻大面陣CCD輸出信號的采集。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微光超快高重頻成像探測方法，其特征在于:所述步驟5，先利用采集卡上的串口和計算機上的串口，分別與像增強器高壓與控制模塊及CCD成像及信號處理模塊進行通信，完成工作模式設(shè)置、像增強器增益調(diào)節(jié)、像增強器開門時間、CXD曝光及增益調(diào)節(jié)；然后計算機對采集卡進行配置，通過調(diào)用驅(qū)動程序與采集卡進行數(shù)據(jù)交互，CCD成像與信號處理模塊輸出圖像的同時，以幀同步信號作為采集卡觸發(fā)信號，通知采集卡進行圖像 采集。
【文檔編號】H04N5/235GK104079828SQ201410304509
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】高曉惠, 王樂, 王博, 李學(xué)龍, 皮海峰, 陳小來, 張宏建, 李勇, 劉永征, 胡炳樑 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所