[发明专利]一种基于双层MCP像增强器的单光子相机

说明书

本发明公开了一种基于双层MCP像增强器的单光子相机的工作原理、系统构成、单光子计数原理等，其主要包括，双层MCP像增强器、光纤锥耦合镜头、探测器、时序控制模块、门控模块，壳体及盖板等。本发明是一种针对微光信号检测和成像的光电成像设备，具备单光子信号探测能力，可实现大面阵单光子探测，在生物荧光、医学影像、天文观测、遥感遥测、刑事勘查、军用侦查等领域具有重要的应用价值。

技术领域：

本发明涉及微光探测领域，尤其涉及一种对单光子信号进行探测的单光子成像相机及其实现方法。

背景技术：

微光指在低照度环境下微弱的光能量低到不能引起人眼或图像传感器响应的光。微光成像技术，通过光电转换、高性能放大、传输和处理等，使人眼视觉或图像传感器件在空间、时域和频域得到有效扩展，转换成人眼或图像传感器可识别的高质量清晰图像，从而弥补了人眼或图像传感器在微光环境中灵敏度低、分辨率低和颜色辨识能力差等诸多问题，为人类认识世界提供了强大的技术支撑。

现在的微光成像技术主要有ICCD、EMCCD和EBCCD等，但在有效光信号极其微弱时，如仅有若干个光子甚至单光子水平，即使将环境噪音有效屏蔽，但探测器本身的读出噪声、暗噪声等会将有效信号淹没，不能进行微弱光信号的有效获取。

单光子探测技术，是一种超低噪声、超高灵敏度的光电探测器，可以探测到光的最小能量——光子。目前基于超导纳米和PMT技术的单光子探测技术，还不能实现大面阵单光子探测。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于双层MCP像增强器的单光子相机，可以实现探测器每个像元对单光子的响应，进行大面阵探测。

本发明所述的一种基于微通道板的单光子相机，其主要包括，双层MCP像增强器、光纤锥耦合镜头、探测器、时序控制模块、门控模块，壳体及盖板等。

其中，双层MCP像增强器的作用是将入射到其光阴极的微弱光信号转化为电信号，并通过双层微通道板(MCP)的多级放大进行电子倍增，倍增后电子打到荧光屏，通过电-光信号转化，最终实现光信号的增益、放大。光纤锥耦合镜头，利用光纤对光线的全反射将放大后的光信号耦合到探测器靶面。探测器，用于光信号采集。时序控制模块，用于实现数据外触发的信号开启时序控制，及内部时序的外部导出。门控模块，用于控制曝光时间及门宽控制。前盖板、后盖板及壳体用于将双层MCP像增强器，光纤锥耦合镜头，探测器，时序控制模块，门控模块等硬件进行封装。

进一步的，本发明的单光子相机以单光子计数模式进行数据采集：单光子计数成像，首先是对探测器暗噪声计数，设定计数阈值，进行扣除；单帧采集，对满足有效光信号的像元区域光信号进行计数为1，其他像元区域计数为0；多帧采集，对单帧计数结果进行累加；通过多帧计数累加，重构成二维大面阵的灰度图，形成图像。

有益效果：

本发明在生物荧光、医学影像、天文观测、遥感遥测、刑事勘查、军用侦查等领域具有重要的应用价值。

1)本发明中所述单光子相机，可实现大面阵单光子级光信号计数、成像，分辨率为1440*1080(单像素的单光子测试数据见附图5)。

2)本发明中所述单光子相机，具有门控功能，最短门宽3ns，可应用于距离选通技术领域。

3)本发明使用双层MCP进行光信号增强，最大增益55000倍，可广泛应用于生物荧光、夜视导航、痕量检测等微光检测成像领域。

附图说明

附图1为本发明的基于双层MCP像增强器的单光子相机工作原理图；

附图2为本发明的基于双层MCP像增强器的单光子相机系统构成图；

附图3为本发明的基于双层MCP像增强器的单光子相机外观图；