[發明專利]一種互補測量的時間分辨單光子計數成像系統及方法

有效

• 申請號: 201210265250.9
• 申請日: 2012-07-27
• 公開（公告）號: CN102769460A
• 公開（公告）日: 2012-11-07
• 發明（設計）人: 翟光杰;王超;趙清;俞文凱;劉雪峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院空間科學與應用研究中心
• 主分類號: H03K21/00
• 分類號: H03K21/00
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;楊青

1.一種互補測量的時間分辨單光子計數成像系統，其特征在于，所述系統包含：脈沖激光器、光學成像部件、空間光調制器、第一組會聚收光部件、第二組會聚收光部件、可見光單光子點探測器、近紅外光單光子點探測器、多通道計數器、隨機數發生器、系統控制平臺、數據讀寫存儲器和處理模塊；

所述脈沖激光器每隔一段時間將激光打在物體上，激發物體熒光，該熒光由所述光學成像部件成像在空間光調制器上，所述空間光調制器依據隨機發生器提供的隨機矩陣對成像進行隨機光調制，將光分配到兩臂出射方向上，第一臂出射方向設置有第一組會聚收光部件和可見光單光子探測器，第二臂出射方向設置有第二組會聚收光部件和近紅外光單光子探測器，用于分別對極弱光對象的可見光成分和近紅外光成分同時進行探測；

所述可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器處于常開狀態并向所述多通道計數器輸出脈沖波形，所述多通道計數器上的兩個計數通道對輸入其中的信號進行濾波、鑒別和累計計數脈沖尖峰個數；

所述脈沖激光器與所述多通道計數器相連，激光的脈沖波形作為多通道計數器的參考脈沖輸入；

所述系統控制平臺發送指令給隨機數發生器，并控制整個系統的運作；

所述隨機數發生器的輸出端與空間光調制器的輸入端相連，用于給空間光調制器傳輸隨機測量矩陣；

所述多通道計數器用于記錄可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器探測的光子的計數值并獲取時間維度信息、再將所述計數值、時間維度信息與隨機數發生器上的隨機測量矩陣共同作為數據讀寫存儲器的輸入，這些數據經由數據讀寫存儲器輸入至處理模塊；處理模塊根據這些數據重建出觀測對象的可見光和近紅外光成分的灰度視頻幀序列。

2.根據權利要求1所述的互補測量的時間分辨單光子計數成像系統，其特征在于，所述可見光單光子點探測器和近紅外光單光子點探測器均工作在蓋革模式，且兩者的安放位置可置換。

3.根據權利要求1所述的互補測量的時間分辨單光子計數成像系統，其特征在于，所述系統還包含延時器；

所述多通道計數器進一步包含：計數模塊和時幅變換模塊，用于實現計數和時間分辨功能，獲取時間維度信息；當采用光子到達時間方式獲取時間分辨，則時幅變換模塊使能，而延時器不使能；當采用延時計數門寬的方式，則時幅變換模塊不使能，而延時器使能；

所述延時器向所述計數模塊發送門控信號，用于延時門寬上升沿或下降沿的到達時間，該延時的時間段能夠作為對應瞬態周期內的時間子段，該時間分辨精度能夠達到20ps；

所述延時器由多通道計數器中的時幅變換模塊進行功能置換，該時間幅度變換模塊用于將獲得的光子的時間轉化為電壓形式并記錄在對應通道中，并按光子到達時間將光子數分段劃分，統計得到一個瞬態周期內各時間間隔內的多段累積計數，時間分辨精度達到5ps；

當被測對象為非周期變化的情況下，設物體在某一較短時間內幾乎保持不變，此時采用逐幀測量的方式，即測完一幀可見光和近紅外光圖像后再測下一幀，時間分辨精度達到秒級。

4.根據權利要求1所述的互補測量的時間分辨單光子計數成像系統，其特征在于，所述隨機數發生器通過采集自然界的隨機源作為隨機數源，對真隨機數進行處理獲取隨機數并輸出至空間光調制器；

所述數據讀寫存儲器，用于存儲輸入的各個子時間段或各使能門控信號時間段內的光子數、各通道的時間維度信息及相應的隨機測量矩陣，從而起到讀寫與緩存的作用。

5.根據權利要求1所述的互補測量的時間分辨單光子計數成像系統，其特征在于，所述系統控制平臺進一步包含：

使能控制模塊，用于控制各部件的使能，即發送驅動使能信號發給上述各部件使其開始正常工作；

同步控制模塊，用于實現激光脈沖和多通道計數器的光子計數之間的同步；和

矩陣變換模塊，用于控制隨機陣列的變換和其上隨機矩陣的更替并在瞬態周期開始前或結束后進行相應調整。