生物光子图像的探测概率和极限

分析了生物超微弱发光的光子图像特点,从而看出对光子图像进行统计研究的必要,讨论了生物超微弱发光的统计分布,分析了生物超微弱发光在光子成像系统中的探测概率和光子图像的探测极限。     

光子计数模式下的目标探测与成像

 当光微弱到以单个光子发射时,成像系统只有利用光子计数模式才能探测到单光子信息。采用基于碰撞电离效应的全固态雪崩光电二极管作为探测元件,构成微光环境下的光子计数成像实验系统。该系统的硬件主要由雪崩光电二极管构成的单光子计数器、计算机、微光照度计、2维电控导轨、控制器、暗箱等组成。控制器的软件在Altera公司Quartus环境下设计,主要完成导轨运动的控制;上位机软件采用VC++编程实现系统的数据采集处理、系统功能控制和光子计数图像显示等。该系统为全固态结构,工作电压小于35 V,暗计数率小于4 Hz。所建光子计数成像系统在10－5 lx微光环境下实现了目标的探测成像。     

显微光子计数成像系统的噪声抑制及定量测量标准的确立

显微光子计数成像系统是极其灵敏的弱光探测成像系统,为使其应用进一步深入微观领域,噪声问题是首先要解决的难题。通过噪声来源分析,光路、机械结构的合理设计,使噪声降低到光子计数成像系统的探测灵敏域之下;并在噪声极低的条件下,进行了一种同位素微弱光源的稳定性、均匀性的研究,发现这种微弱光源性能稳定、发光均匀,可以作为定量测量的标准,为以后的微弱发光实验进行定量分析;光子计数成像系统的合理噪声抑制以及定量测量标准的确立,将在微光探测方面产生重要的影响。     

光子计数成像系统的自适应累积时间扫描方法

得益于单光子探测器的超高灵敏度,光子计数成像系统近年来成为极弱光探测成像领域的研究热点.基于单点扫描的光子计数成像系统,以光子累积的方式获取大量返回光子事件后重建目标图像.然而,单像素探测时间固定导致的光子事件累积冗余或累积不足的问题,限制了系统的成像效率.本文提出了一种基于自动选取单像素最佳累积时间的时间自适应扫描方法,并分别进行了单点测距和扫描成像实验.结果表明,本文提出的方法在重建质量接近的深度图像(64×88)时的数据总获取时间相比单像素固定累积时间的扫描方法降低了一个数量级,极大地提高了扫描数据获取的效率,为光子计数成像系统快速成像提供了新思路.     

基于单光子雪崩二极管阵列的成像技术研究进展（特邀）

单光子雪崩二极管以其极高的光子灵敏度以及超快的响应时间在各领域被广泛应用。随着半导体技术的发展,集成多个像素以及时间测量电路的单光子雪崩二极管阵列逐渐普及。成像是一种以光子作为媒介获取目标物体信息的手段,基于单光子雪崩二极管的成像系统可以利用更丰富的光子计数以及光子时间信息实现极端环境下的目标探测。单光子雪崩二极管阵列具备并行采集光子信息的能力,进一步提高了光子信息的探测效率,能够替代传统单光子成像中单点探测器加扫描结构的探测体系,推动生物显微成像、散射成像以及非视域成像等技术的进步。本文梳理了单光子雪崩二极管阵列的发展历程以及技术趋势,按照是否需要光子时间信息分类介绍了单光子雪崩二极管阵列在成像方面的典型应用,结合应用分析了单光子雪崩二极管阵列相比于其他探测器的优势,对单光子雪崩二极管阵列的应用前景进行了展望。     

基于时间相关单光子计数的荧光寿命成像技术

采用时域法中的时间相关单光子计数方法记录荧光寿命,时间相关单光子计数采用多波长通道同时记录荧光光子数,可以提高计数效率和信息量,还可以在稳态图像中分离不同荧光团,形成4维图像。并采用多光子激发技术,利用长波长光源发出的两个或多个光子可以激发出一个短波长的光子。多个光子必须几乎同时到达激发点,才能提供被激发分子足够的能量以产生荧光。多光子激发波长较长,生物组织对其散射减小,因而可以穿透到更深层的组织,从而提高荧光成像深度和空间分辨力,并减少对活体样品的损伤。     

光子扫描隧道显微镜的光电成像系统研究

本文论述了光子扫描隧道显微镜（ＰＳＴＭ）的显微成像机理、成像规律，针对具体的物理模型进行数值模拟计算，并得到了与实际探测相一致的场分布规律。采用自行研制的光子扫描隧道显微镜（ＰＳＴＭ）的显微实验系统对多种样品进行了表面显微成像研究，获得了关于样品表面三维立体图像信息，通过多种图像处理手段对原始图像进行后期处理，得到了更具视觉效果、更为逼真的样品表面图像。     

实时观察光的波粒二象性

利用现代单光子探测技术，自行研制成功一种光子计数成像系统，利用它在１０＾－１５Ｗ的极弱的探测功率下，完成了光的双缝干涉，单缝衍射和圆孔衍射实验，可实时观察图像形成过程，用光子本身验证了光的波粒二象性。     

基于四波前剪切干涉的显微定量相位成像实验研究

提出一种基于四波前剪切干涉的显微定量相位成像方法,使用棋盘型位相光栅获得生物样品的干涉图,采用快速傅里叶法解得相位信息.实验测量可变形镜产生的随机波前,与ZYGO干涉仪的对照结果表明相位测量误差不超过3%,验证了四波前剪切干涉仪的相位探测精度.建立了一套基于四波前剪切干涉技术的显微定量相位成像系统,以小鼠肝癌活体细胞为样品,获得了清晰的强度图像和相位图像.实验结果表明基于四波前剪切干涉技术的系统可以实现高精度的定量相位成像,适用于生物活体细胞的相位显微成像研究.     

免疫光子学进展

光学分子成像是在复杂生物体中同时描述多种分子和细胞功能的最佳手段.作为机体发挥防御、监视和自稳功能的免疫系统,研究者们正面临着如何将其作为一个真正的系统来研究的挑战.免疫光子学是指基于光子学原理和方法的活体免疫光学成像和免疫光子治疗.以多光子激发显微成像和光声层析成像为代表的高时空分辨活体成像技术,以荧光蛋白为代表的活...     

基于APD线列的单光子探测计数研究

单光子探测系统可以对单个光子进行探测;探测系统含有探测部分、淬灭电路部分和计数部分;探测部分主要由工作在盖革模式下的雪崩光电二极管组成;在盖革模式下的雪崩光电二极管发生雪崩后不能自然停止,淬灭部分主要为了主动抑制雪崩电流,快速降低雪崩电压,以达到提高探测效率,降低错误计数的目的;APD线列产生多个光子脉冲信号,计数部分的主要功能是对多路光子脉冲信号进行计数、显示并且可以控制每路APD的比较电压,保证每路APD淬灭电路的正常工作。     

Correction of ultraviolet single photon counting image distortion

Single photon counting imaging technology has been widely used in space environment detection, astronomy observation, nuclear physics, and ultraweak bioluminescence. However, the distortion of the single photon counting image will badly affect the measurement results. Therefore, the correction of distortion for single photon counting image is very significant. Ultraviolet single photon imaging system with wedge and strip anode is introduced and the influence factor leading to image distortion is analyzed. To correct original distorted image, three different image correction methods, namely, the physical correction, the global correction, and the local correction, are applied. In addition, two parameters, i.e, the position index and the linearity index, are defined to evaluate the performance of the three methods. The results suggest that the correction methods can improve the quality of the initial image without losing gray information of each counting light spot. And the local correction can provide the best visual inspections and performance evaluation among the three methods.     

延迟线阳极紫外光子探测器研究

基于微通道板(MCP)的延迟线阳极探测器利用信号到达延迟线两端的时间差得到入射光子的位置信息,具有高空间分辨率、高计数率的特点,被广泛应用于紫外光谱成像系统中。分析了延迟线阳极紫外光子探测器的工作原理,提出一种新型二维延迟线阳极,仅由阳极表面收集经MCP倍增后的电子云团,上层延迟线直接收集电子,下层延迟线通过置于顶层的焊盘收集电子。该阳极采用印刷电路板(PCB)加工制作,大大简化了制作工艺。测试结果表明,阳极探测器空间分辨率FWHM优于92 μm,成像非线性小于100 μm。实验结果证明了该延迟线阳极探测器进行紫外光子成像的可行性,为研制远紫外波段成像光谱仪提供了理论基础及实验指导。     

微光图象光子计数器象管光子增益测试研究

本文介绍了微光图象光子计数器象管的主要构成及其与常规二代微光象增强器的区别.在论述单通道光子计数技术原理的基础上,提出了微光图象光子计数器象管的主要参数-光子增益的测试原理和方法,建立了测试系统.对微光图象光子计数器象管的光子增益进行了实测,并将测试结果与常规二代微光象增强器的亮度增益进行了比较,给出了光子增益的估算公式.     

一维游标位敏阳极光子计数探测器

报道了一维游标位敏阳极光子计数探测器,详细介绍了一维游标位敏阳极的解码原理和设计结果.搭建了基于一维游标位敏阳极探测器的紫外光子计数探测系统.该系统工作于光子计数模式,可同时测量单光子事件的一维坐标.获得了对应入射光空间强度一维分布的脉冲计数分布图.通过测试,系统的分辨率优于100μm.该探测器可以实现极微弱的高能光子、电子和离子等粒子流强度分布的一维探测,因此可以用于深空探测、光谱测量、高能物理以及生物发光探测.     

微光像增强器光子增益的测试研究

在图像光子计数探测系统中，微光像增强的光子增益是一个重要参数，本文讨论光电探测器入射光子速率与出射光子脉冲速率之间的关系，并以光子计数技术为基础，提出了一种测量像增强器光子增益的方法，还给出了实验装置与测试结果。     

光子计数成像技术及其应用

介绍光子计数实时图像采集实验系统，其中的高亮度增益的光子成像头通过超强光力中继透与高帧频电荷耦合器摄像机耦合；分析和介绍了单光子成像模式下系统工作的受限条件和多光子工作模式下系统的主要综合性能指标－读出噪声的测定方法。文中给出在自适应光学弱光波前传感中的应用，光子噪声分布规律以及光的波粒二象性实验验证等例子。     

光子计数深度获取系统误差机理研究和矫正

采用两路光子时间到达点构建光纤式光子计数伪随机码深度获取系统.为了研究降低深度误差的方法,以高斯函数为激光回波脉冲,计算瞬时概率密度函数,引入"时间行走"效应数学模型,推导深度误差克拉美罗下限.随着激光回波能量的增大,深度误差先降低再增大,并且码长越长,深度误差越小.采用理论推导的累积分布函数,生成光子时间到达点,蒙特卡洛仿真伪随机序列光子探测过程,结果大于理论数值模拟,符合克拉美罗下界原理.17组标定实验表明:由于目标表面特性的不同而导致探测到激光回波中光子数的浮动,该浮动引发光子"时间行走"效应,并带来伪随机码深度获取系统的互相关函数的整体偏移.采用数值拟合方程拟合不同光子计数比例值下的深度误差,测量得到的光子计数比例值,代入拟合的矫正方程,矫正后的深度均方误差下降至1cm.     

Two-dimensional photon counting imaging detector based on a Vernier position sensitive anode readout

A two-dimensional photon counting imaging detector based on a Vernier position sensitive anode is reported. The decode principle and design of a two-dimensionai Vernier anode axe introduced in detail. A photon counting imaging system was built based on a Vernier anode. The image of very weak optical radiation can be reconstructed by image processing in a period of integration time. The resolution is superior to 100 μm according to the resolution test. The detector may realize the imaging of very weak particle flow of high- energy photons, electrons and ions, so it can be used for high-energy physics, deep space exploration, spectral measurement and bio-luminescence detection.