[發(fā)明專利]利用模擬接口的高速二維事件檢測和成像

在審

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• 申請日: 2018-03-19
• 公開（公告）號: CN110753950A
• 公開（公告）日: 2020-02-04
• 發(fā)明（設計）人: J.沃;D.S.德索;S.P.帕哈姆;T.努米;J.格里菲思;X.周;李昊翔
• 申請（專利權）人: 科羅拉多大學董事會;法人團體
• 主分類號: G06T1/20
• 分類號: G06T1/20;G06T5/00
• 代理公司: 72001 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 李雪娜;申屠偉進

通過將高速、高幀速率的相機與在大規(guī)模并行處理器（諸如GPU）上運行的簡單邏輯代碼相結合來實現(xiàn)具有高計數(shù)率線性度的定量脈沖計數(shù)（事件檢測）算法。并行處理器元件逐像素地檢查來自相機的幀，以找到并標記事件或對脈沖進行計數(shù)。組合已標記的事件以形成經組合的定量事件圖像。

發(fā)明背景

本發(fā)明是在由美國能源部授予的授權號為DE-FG02-03ER46066的政府支持下完成的。政府在本發(fā)明中擁有某些權利。

技術領域

本發(fā)明涉及在具有模擬接口的系統(tǒng)中的高速且高分辨率的二維事件檢測和成像。特別地，本發(fā)明涉及從事件類型數(shù)據(jù)中對單獨的電子、光子等進行脈沖計數(shù)。

背景技術

在二維中檢測諸如電子之類的粒子通常利用諸如多通道板（MCP）檢測器之類的模擬接口進行放大，利用磷光體屏來產生光，并且利用CCD相機等來記錄光。例如，角度分辨光發(fā)射頻譜法（ARPES）實驗使用基于多通道板/磷光體屏/相機堆疊的電子檢測方案。相機通常是CCD型的，以整合了模擬光子強度的灰度級模式運行。由于單個頻譜通常需要成千上萬的計數(shù)，因此系統(tǒng)必須對整個圖像進行計數(shù)強度的積分，這是一個非常緩慢的過程，無法以接近實時的速度生成可用數(shù)據(jù)。另外，所得到的數(shù)據(jù)是加和到一起的相機讀數(shù)。這具有固有的問題，即添加了相機噪聲和讀出噪聲、磷光體高光溢出（boosting）的偽像以及檢測堆疊的一般非線性響應。由于重疊，對單獨的事件進行計數(shù)也是幾乎不可能的。

圖1（現(xiàn)有技術）示出了ARPES設置，其用于經由電子光學裝置104檢測來自樣本100的電子。電子102被MCP 106放大，被磷光體板108轉換成光，并被CCD或類似裝置110捕獲。圖2（現(xiàn)有技術）更一般性地圖示了傳統(tǒng)的事件檢測和記錄過程。入射事件102被檢測到并被MCP 106放大，從而生成經放大的事件107。磷光體板108將經放大的事件107轉換為光109。高質量相機210記錄光206并生成經積分的輸出圖像212。

由于MCP 106和磷光體板108對于每個脈沖具有變化的增益水平，并且磷光體板108可能高光溢出并且關于強度具有非線性增益輪廓，因此在這種情況下的輸出109可能會經受降低的分辨率和保真度。一般而言，相機210記錄一段時間（諸如30秒）內的圖像，并在經積分的輸出圖像212中捕獲多個事件。研究人員一直在努力改善相機210的質量，以慮及非線性問題并解析（resolve）單獨的事件。這樣的相機極度光敏，并且通常需要冷卻。因此，它們使用起來不方便且非常昂貴，并且即使在它們非常高分辨率和先進的數(shù)值方法的情況下，也可能無法解析單獨的事件。研究人員曾試圖減緩實驗，以減少圖像中的事件數(shù)量，但這會導致樣本隨時間衰減以及更長的采集時間。

用于對事件進行計數(shù)的另一種方法是使用延遲線檢測器。這些系統(tǒng)甚至更加昂貴并且規(guī)模有限。

在本領域中仍然需要在具有模擬接口的系統(tǒng)中執(zhí)行單獨的事件的高速且高分辨率的二維檢測（有時稱為脈沖計數(shù)）的裝置和方法。

發(fā)明內容

本發(fā)明的一個目的是在具有模擬接口的系統(tǒng)中執(zhí)行高速且高分辨率的二維脈沖計數(shù)。本發(fā)明改善了堆疊的處理部分，以在使用更簡單且更快的相機的同時產生具有更好的線性度的更高速度的數(shù)據(jù)。（例如，如由MCP-磷光體對生成的）事件型的電子或光子數(shù)據(jù)被發(fā)送到相機中。相機具有非常高的速度（高fps），但僅具有中等質量（與科學相機相比，動態(tài)范圍更低，并且本底噪聲更高）。代替（例如）30秒的曝光以創(chuàng)建經積分的模擬圖像，相機捕獲一系列幀（例如，每秒約100幀），這些幀經由計算機傳輸?shù)讲⑿刑幚砥?。在并行處理器單元上，通過許多并行處理器元件來處理每一幀。系統(tǒng)包括用于整體處理的計算機和大規(guī)模并行的處理器（諸如GPU）。

并行處理器元件使用算法來檢查幀中的每個像素，以確定在該像素處是否發(fā)生事件。本質上，這是二元測試——像素要么處于導通（針對事件）要么處于關閉（針對無事件）。