潘京生，顧 燕，李燕紅，孫建寧，張勤東，蘇德坦

單光子靈敏和高時空分辨的大動態(tài)范圍科學增強相機

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)重點實驗室，陜西 西安 710065）

增強相機結(jié)合了MCP增強器和圖像傳感器這兩個成熟的技術(shù)，便于對其各組件構(gòu)成的優(yōu)化及擇優(yōu)組合，獲得單光子靈敏的探測能力，以及精確的空間和時間分辨能力，可在極微弱光條件下獲得準確的位置和時間信息，成為一個可用于科學成像的理想的大面陣成像探測器，特別是可結(jié)合門控電源，獲得超快的曝光時間，并使增強相機也可在較高的光照條件下工作，覆蓋一個相當大的工作范圍。本文描述了增強相機的構(gòu)成及其各構(gòu)成組件的工作特性，介紹了MCP增強器各組件的擇優(yōu)組合和優(yōu)化構(gòu)成，結(jié)合一個門控電源對光陰極的超高速和高頻率的選通，以及一個百萬像素的圖像傳感器經(jīng)光學耦合后的高速讀出，科學增強相機可具有納秒甚至亞納秒的時間分辨力，并兼具模擬和光子計數(shù)兩種模式的大動態(tài)范圍成像能力，在光子計數(shù)模式，具有可達到單光子探測靈敏度，和106count×s－1×cm－2數(shù)量級以上的最大計數(shù)率，以及10mm（FWHM）的空間分辨的能力。

科學成像；增強相機；MCP增強器；光子計數(shù)成像

0 引言

得益于在顯微鏡、激光、光子探測器和數(shù)據(jù)獲得及分析電子學的最新技術(shù)進步，熒光光譜學已經(jīng)為研究生物分子結(jié)構(gòu)和動態(tài)的一個主要技術(shù)，而一個可結(jié)合快時間分辨和單光子靈敏度的可視化活性分子的成像探測器，可為生物分子的動態(tài)和結(jié)構(gòu)的研究提供更深刻的理解[1-5]，但這不僅需要一個高靈敏度和大動態(tài)范圍的百萬像素大面陣焦平面?zhèn)鞲衅?，同時還要求具有更快的幀頻以捕獲具有快時間分辨的動態(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到昂貴的科學數(shù)字相機。隨著CMOS圖像傳感器的技術(shù)進步，CCD在消費成像市場的主力地位正在逐漸喪失，在需要高靈敏度的科學成像領(lǐng)域也受到了CMOS的挑戰(zhàn)，并且CMOS具有更快的讀出電子學，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極微弱光條件下的科學成像要求。

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

通過在一個CCD或CMOS圖像傳感器之前增加一個光子計數(shù)MCP增強器，以獲得單光子探測靈敏度，并保持MCP增強器極好的時間分辨能力，可兼具模擬和光子計數(shù)兩種工作模式，科學增強相機可在極微弱光條件下獲得準確的位置和時間信息，成為一個可用于科學成像的理想的大面陣成像探測器[8-11]。

本文描述了增強相機的構(gòu)成及其各構(gòu)成組件的工作特性，介紹了一個基于MCP stack增強器的科學增強相機，通過各組件的擇優(yōu)組合和優(yōu)化構(gòu)成，結(jié)合一個百萬像素的CMOS圖像傳感器經(jīng)光學耦合后的高速讀出，獲得一個高空間分辨（＜10mm）、時間分辨（＜ns）和大動態(tài)范圍（106counts×s－1×cm－2）的單光子靈敏度的光子計數(shù)成像能力。

1 增強相機組件

增強相機是一種特殊形式的MCP探測器，由MCP增強器和數(shù)字相機單元組成。通常也稱為ICCD或ICMOS，但這個名稱似乎易于誤導為一個由像增強器與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。實質(zhì)上，增強相機的主要性能仍然是基于MCP增強器，CCD或CMOS相機單元只不過是作為一個讀出器件和接口單元，用來讀取MCP增強器熒光屏上的圖像信息，以構(gòu)筑成一個數(shù)字圖像?？茖W增強相機不僅需要對MCP增強器各組件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和擇優(yōu)組合，同時還要求作為光學讀出和接口的CCD或CMOS相機單元，最大程度的保持MCP增強器的主要工作特性，以獲得單光子靈敏度的高時空分辨的大動態(tài)范圍的成像能力。

1.1 MCP

MCP起始于針對像增強器開發(fā)的一個通道電子倍增器陣列，其每個細微通道都如同一個電子倍增通道，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X射線的高能限約在0.1nm（12.4keV），UV長波限在150nm（8eV以上），通過在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X射線和EUV“日盲”探測器，兼具模擬和脈沖計數(shù)兩種工作模式，而脈沖計數(shù)MCP探測器是對極微弱輻射物成像的一個理想選項。

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

但當被探測的輻射物極其微弱時，入射事件在時間和空間上分離，將無法再以一個模擬方式來捕獲持續(xù)圖像。此時采用一個MCP V stack或Z stack，并施加一個相對較高的工作電壓，一個MCP V stack，可在約1600V的偏壓下，對單個事件產(chǎn)生一個104～105的增益，并隨著工作電壓的提高，MCP的空間飽和將導致其輸出脈沖高度分布（PHD）從一個負指數(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)合一個位敏陽極，從而可進行位置靈敏的二進制計數(shù)，并過適當?shù)碾娮訉W甄別以消除背景噪聲，實現(xiàn)對極微弱輻射物如單光子的脈沖計數(shù)成像探測[12-13]。而借助一個質(zhì)心坐標算法，通過對電荷云在位敏陽極上的覆蓋區(qū)域進行處理，探測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極的覆蓋面積[14-15]。

MCP的脈沖高度計數(shù)模式是自限的，探測器對于非常亮的物體的成像也是適合，并且，當對MCP stack施加一個相對較低的電壓時，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具有極好的時間分辨力，單片MCP的計時精度可優(yōu)于200ps FWHM，MCP V stack的時間響應(yīng)可優(yōu)于750ps FWHM，雖然通道的死時間在ms級，但由于通道密度每平方厘米可達百萬計，且每個通道各自構(gòu)成的獨立打拿極，MCP的最大計數(shù)率可達106count×s－1×cm－2[12]，小孔徑低阻抗的大動態(tài)范圍MCP的最大計數(shù)率可達到108count×s－1×cm－2，而MCP探測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增強器

像增強器和MCP的開發(fā)起源于對夜視儀的軍事需求，并得到了很好的發(fā)展。MCP是現(xiàn)代像增強器的標志。像增強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 像增強組件結(jié)構(gòu)示意圖

像增強器借助于光陰極的外光電效應(yīng)實現(xiàn)對可見光的探測。光陰極將收集到的入射光子轉(zhuǎn)換為光電子，在一個近貼電壓的作用下，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6kV/mm的高壓加速，撞擊熒光屏陽極，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間間隙傳輸時的橫向散布，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)代像增強器的最新技術(shù)之一，借助于光陰極與MCP之間電壓的自動門控，達到納秒級時間和10kHz頻率的光陰極門控，在高亮度環(huán)境比例減少進入MCP的光電子流，從而將像增強器的動態(tài)拓展到黃昏黎明暮曙光的高光照級別。

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

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

1.3 光陰極

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

增強相機可借助于應(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。

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)合一個在280nm以上波段深度截止（12倍光學密度）的濾光片，基于CsTe光陰極的增強相機可在全日光下實現(xiàn)日盲紫外的成像探測。相比之下，GaN光陰極有更高的量子效率，但也有更長的長波限。

降低背景事件率，如同增加量子效率，可有效提高探測靈敏度。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光陰極的長波限在320nm，相比之下，S20的典型暗計數(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。通過制冷還可進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）時間。對于增強相機的應(yīng)用，為避免幀讀出的疊加，熒光屏的衰減時間是最重要的參數(shù)。

通常按熒光屏材料的衰減時間將熒光屏分為兩類，如表1所示。第一類具較慢的衰減時間，但轉(zhuǎn)換效率高，如P20和P43。第二類具有非?？斓乃p時間，但轉(zhuǎn)換效率稍低，如P46和P47。目前像增強器采用P43和P20熒光屏，除了是考慮其具有一個高的轉(zhuǎn)換效率之外，還在于其發(fā)光光譜的峰值對應(yīng)在人眼過渡視覺所靈敏的藍綠光范圍，即所謂的浦肯野（Purkinje）現(xiàn)象。但即使是P43熒光屏的衰減時間常數(shù)也達到了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的衰減時間關(guān)系[18]。

1.5 圖像傳感器與電子學讀出

在增強相機中，相機單元作為MCP增強器的一個光學讀出和接口單元，獲取熒光屏的光信號的空間和時間分布，將其轉(zhuǎn)換為圖像傳感器像素上的數(shù)字單位（DN），并進行實時的數(shù)據(jù)處理，集成到圖像貯存單元，以構(gòu)筑成一個數(shù)字圖像。為保持來自MCP增強器的時間信息，要求圖像傳感器與電子學讀出對熒光屏的每一個光點的獲得和處理，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從信號電荷轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)換為模擬信號并最終轉(zhuǎn)換至數(shù)字信號的不同方式。CCD的串行讀出限定了其可達到的幀頻，特別是對于一個百萬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，這樣每個放大器都擁有低的帶寬，當信號到達數(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，CMOS圖像傳感器的數(shù)據(jù)已經(jīng)是數(shù)字的了[19]。顯然，CMOS圖像傳感器可達到更快的讀出速度，并具有緊湊，簡單，抗輻射，低功耗和低成本的優(yōu)點。

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

但鑒于MCP增強器的高放大特性，圖像傳感器有限的阱容將成為限定增強相機的空間分辨和光強度測量的瓶頸。一種采用太陽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)計的對數(shù)算法轉(zhuǎn)換增益的CMOS圖像傳感器，可承受一個大于120dB的景內(nèi)動態(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)的線性對應(yīng)，不利于進行光強度的精確測量。

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曝光，卷簾快門則為不同行的像素依序曝光在不同的時間并按序讀出，卷簾快門可進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讀出可由基于FPGA的驅(qū)動電子學和實時數(shù)據(jù)處理單元以及可連接到PC的接口構(gòu)成；FPGA具有電子學系統(tǒng)結(jié)合軟件再構(gòu)造的優(yōu)勢，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，同時還可顯著提高硬件邏輯的計算速度，采用FPGA即時數(shù)據(jù)處理不僅有助于CMOS圖像傳感器的實時的感興趣區(qū)域（ROI）能力的開發(fā)，同時對于減少用于進一步離線分析的數(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到1.2 GBps。

1.6 光學耦合

采用光纖板，將MCP增強器1:1的光學耦合到一個大面陣的圖像傳感器，或借助于一個光纖錐，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，同時也可采用可拆卸的機械固定方式，以便于兩個亞系統(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。

直接借助透鏡來實現(xiàn)MCP增強器與數(shù)字相機單元之間的光學傳輸，可便于兩個亞系統(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MCP增強器經(jīng)透鏡耦合到集成FPGA和RAM子系統(tǒng)的CMOS數(shù)字相機的增強相機的結(jié)構(gòu)示意。

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

圖6 基于MCP增強器和sCMOS的科學增強相機的構(gòu)成示意圖

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

2 單光子靈敏高時空分辨大動態(tài)范圍的增強相機

借助于多種光陰極的選擇，實現(xiàn)對多種輻射物的敏感，基于位敏陽極直接電荷讀出的光子計數(shù)MCP成像探測器，和基于熒光屏光學讀出的光子計數(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極。如楔條形陽極（Wedge Strip Anode，WSA），交叉延遲線（Cross Delay Line，XDL）陽極和交叉條（Cross Strip，XS）陽極等等，與結(jié)合小型化多通道ASIC電路的電子學成像讀出技術(shù)相融合，其中，基于XDL陽極的大面陣（100mm×100mm）的MCP探測器的讀取速度達到約500kHz的全局計數(shù)率[10]，而一個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60fps幀頻的全幀讀出，但憑借可在一個單幀內(nèi)記錄多個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的最大計數(shù)率[21]，MCP光子計數(shù)成像探測器成為太空UV成像任務(wù)的自然選擇[22]，并開始從太空成像應(yīng)用向科學成像領(lǐng)域轉(zhuǎn)化。

雖然增強相機在這里增加了一個重復的電光-光電轉(zhuǎn)換過程，但也由此可借助傳統(tǒng)像增強器和現(xiàn)代圖像傳感器這兩個成熟技術(shù)，通過MCP增強器各組件的擇優(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，同時結(jié)合一個百萬像素的CMOS圖像傳感器的智能相機單元，經(jīng)光學耦合后的高速讀出和數(shù)據(jù)處理，以保持MCP增強器對微弱輻射物探測的時間和空間信息，獲得單光子靈敏度的高時空分辨和大動態(tài)范圍計數(shù)成像能力，便于將光子計數(shù)增強相機進一步拓展到非太空成像任務(wù)的科學成像以及工業(yè)應(yīng)用。而通過采用特殊軟件，還可進行大吞吐量的3D圖像的再構(gòu)造[23]。

光子計數(shù)增強相機是對極微弱光成像的一個最佳選項。當光強度低于10－5lx時，光子在時間和空間上相分離，捕獲一個持續(xù)的圖像已經(jīng)不再可能，此時通過增加施加在MCP stack上的工作電壓，使MCP達到空間電荷效應(yīng)所導致的飽和狀態(tài)，只要在受最大計數(shù)率限定的動態(tài)范圍內(nèi)，不管輸入事件率多少，MCP對每一個有效輸入事件都將產(chǎn)生一個恒定振幅的輸出脈沖，從而可實現(xiàn)單光子靈敏度的二維空間和一維時間的光子計數(shù)成像。

一個10mm孔徑12mm間距的MCP V stack，對應(yīng)一個由單個事件引發(fā)產(chǎn)生的電子脈沖級聯(lián)，可在像增強器的熒光屏上產(chǎn)生一個約50mm直徑的光點。光子計數(shù)增強相機通過圖像傳感器光學讀出獲得每一個亮點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，將處理后的光子事件的精確位置信息集成進入圖像貯存單元，通過每一位置上的光子數(shù)量來配置圖像的亮度分布。

而通過一系列的FPGA和CPU用于高速數(shù)據(jù)處理，對光點采用一個可質(zhì)心到圖像傳感器亞像素的算法處理包括對畸變的校正，可達到一個優(yōu)于25mm（FWHM）[21]甚至10mm（FWHM）的空間分辨力[24]。

光子計數(shù)增強相機的計數(shù)率首先限定于相機單元的讀出速度。以目前市場可得的一個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18mm有效直徑的MCP增強器，經(jīng)1:1的光學耦合，如果按一個光子事件在熒光屏上60mm（FWHM）的覆蓋區(qū)域來折算，也可基本保持光子計數(shù)MCP計數(shù)率的動態(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，可得到一個更快速度的讀出，還可更大程度地保持MCP的計數(shù)率的動態(tài)范圍。但考慮到一個P43熒光屏可達到的1kHz的光學讀出，由此目標定位的起點應(yīng)該是一個1kHz幀頻的百萬像素圖像傳感器的相機單元[17]。

增強相機還可工作在模擬模式，在光強度高于10－5lx時，通過降低施加在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別圖像。

但不管是CCD還是CMOS，其通常僅60dB的動態(tài)范圍是遠遠不夠的。在模擬模式，可通過降低MCP工作電壓，得到一個足夠低的增益，以避免圖像傳感器在曝光時間內(nèi)的飽和過曝。但在計數(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，通過適當閾值設(shè)置消除MCP的背景噪聲，這樣，僅由單個光子引發(fā)的最小探測信號，經(jīng)MCP V stack放大后，在熒光屏上產(chǎn)生一個輸出光點，就可具有約106～107個光子。

雖然通過轉(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增強器的構(gòu)造以限定增強器的亮度增益，但這將導致在模擬工件模式下空間分辨力的降低。對于不受體積重量限定的應(yīng)用，在MCP增強器與相機單元間直接采用透鏡耦合的增強相機或許成為必要，以便于提供多種組件的組合及功能選項，甚至增加必要的光學衰減也可作為一個附加選項，避免一個線性轉(zhuǎn)換增益的圖像傳感器在大動態(tài)范圍的成像和光強度測量時遭遇飽和甚至過曝。

利用像增強器光陰極與MCP間電壓的門控作為電子快門，可以獲得一個超快的曝光時間，同時，還可通過在不同光強度下比例減少進入MCP的光電子流，使增強相機可工作在高光照條件。科學增強相機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，可獲得一個短至納秒級甚至亞納秒（200ps FWHM）的超快曝光時間，和高達200kHz甚至MHz重復率，使增強相機同樣也適用于在高光照條件下工作，覆蓋一個相當大的工作范圍。

通過光陰極門控可獲得的亞納秒級的獲得幀的計時精度，適用于獲得一個與瞬間產(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相機相比于其它所有科學相機的一個獨特優(yōu)勢，對于那些不需要成續(xù)成像的瞬態(tài)事件的成像，基于光陰極門控的增強相機應(yīng)該是一個最佳選擇。

3 結(jié)論

增強相機結(jié)合了MCP增強器和圖像傳感器這兩個成熟的技術(shù)，便于對其各組件構(gòu)成的優(yōu)化及擇優(yōu)組合，以獲得單光子靈敏的探測能力，和精確的空間和時間分辨能力，可在極微弱光級別下獲得精確的位置和時間信息，成為可用于科學成像的一個理想的大面陣成像探測器，特別是可結(jié)合一個門控電源，獲得一個超快的曝光時間，并使增強相機同樣適用于在較高光照條件下工作，覆蓋一個相當大的工作范圍。而采用一個百萬像素的圖像傳感器的高速讀出，以保持MCP增強器的主要特性，科學增強相機可在光子計數(shù)模式下，具有可達到106count×s－1×cm－2的最大計數(shù)率，和優(yōu)于10mm（FWHM）的空間分辨力的能力。

對于需要精確的位置、時間和光強度信息的微弱光成像或瞬態(tài)成像，包括通過顯微鏡來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)和動態(tài)的科學成像，單光子靈敏高時空分辨的大動態(tài)科學相機是一個非常理想的探測器。

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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器的研究。E-mail：pjs@nvt.com.cn。

國家自然科學基金（61275152）。