显微光子计数成像系统及其应用

光子计数成像系统可以探测生物超微弱发光,但是只能探测生物的宏观图像,若要深入到细胞、分子水平,必须有显微光子计数成像系统。二者的区别类于显微光子计数成像系统是噪声受限系统。本文报道的显微光子计数成像系统,采用＾１４Ｃ同位素光源来监测系统的状态,保证实现极限探测。该系统可以用来研究痕量生物分子的分布和功能,显示钙离子在细胞内外的分布,活性氧、基因表达的监测等。由单光子到单分子、组织学图像到功能图像的     

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。     

三代微光像增强器信噪比测量技术研究

微光像增强器是微光成像技术中的核心部件,微光像增强器的信噪比是像增强器的重要参数之一,它可以定量表征像增强器在探测弱辐射图像时的性能,可综合反映空间因素和时间因素对探测图像特性的影响。介绍了微光像增强器信噪比的测量原理和装置,测量装置采用精确的微孔光阑、可变光阑及共轭对称透镜系统,实现直径为0.2 mm的特定光斑投射在像增强器光阴极面上。采用光子计数技术,通过研究小探测面（探测直径小于4 mm）微弱光照度标定方法,解决了针孔微弱光照度的准确标定与直径为0.2 mm信噪比光源照度准确测量。     

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。     

小样本光子图像的统计处理

讨论了一种对小样本光子图像的统计处理方法。在超微弱发光的研究中（例如细胞的超微弱荧光）,由于发光强度极弱,需要用像增强器对超微弱发光图像进行增强得到可视图像,超微弱发光图像不可避免地受到像增强系统暗噪声及背景噪声的影响,使光子图像湮没在噪声中。为从原始图像中检验出信号,根据信号光子和噪声光子的不同统计分布,运用信号检测与的方法判断光子是否属于信号光子,并得到一简明的判据,由此判据剔除图像中的噪声光子,得到信噪比改善的光子图像。并用此方法处理了人掌的超微弱发光光子图像。     

光子图像统计处理

讨论了一种对有限光子图像累加的统计处理方法。在超微弱发光的研究中（例如细胞的超微弱光），由于发光强度较弱，需要用像增强器对超微弱发光图像进行增强得到可视光子图像，超微弱发光的光子图像不可避免地受到像增强系统暗噪声及背景噪声的影响，使光子图像湮没在噪声中。为从原始图像中检验出信号，常将采集到的有限光子图像进行累加以增加样本数，根据信号光子和噪声光子的不同统计分布，运用似然比检验方法得到有效判断累加图像中某像素是否含有信号光子，由此剔除图像中的噪声光子，得到信噪比改善的光子图像。     

远紫外光子计数成像探测器的感应电荷读出方法

为了满足空间远紫外波段成像高空间分辨率和高计数率的探测需求,阐述了光子计数成像探测器的感应电荷读出方法,用于对地球电离层进行远紫外波段遥感探测的成像光谱仪.研究了具有成形网路的电荷灵敏放大器各参数间的关系,从理论上分析了电荷灵敏放大器的上升时间及成形网络的成形时间常数对电荷读出噪声和探测系统计数率的影响,并建立了它们之间的定量关系.提出了电荷读出网络参数的设计和选取原则,并采用适合空间环境的分立电子元件研制出基于楔条形阳极光子计数式成像探测器的电荷读出电路.实验结果表明,所设计的感应电荷读取链路在成形时间为500 ns时链路等效输入噪声电荷约为230 e,电荷灵敏放大器上升时间小于8 ns,与建立的模型计算值有较好的一致性.在入射光强计数率86.2 kcps条件下,所测图像的空间分辨率达到7.13 lp/mm,满足空间远紫外波段成像光谱仪的使用要求.     

紫外单光子成像系统的研究

搭建了紫外单光子成像系统,详细介绍了该系统的组成、工作原理和分辨率性能测试.由汞灯发出的紫外光经过大气散射、多块减光片得到了紫外单光子流.单光子直接打在微通道板上,微通道板产生的倍增电子由楔条形阳极收集,电荷灵敏前置放大器将阳极输出的电荷信号转变为电压信号,主放大器对前放信号进行滤波整形.利用高速数据采集卡连续采集主放大器的输出波形,通过软件对采集波形进行处理,采用图像处理技术得到了紫外单光子10min的计数图像,并对图像进行了畸变校正.此外,通过自己设计的分辨率板,测得该系统的分辨率可达150μm.该系统在极微弱光探测成像,生物发光,空间环境探测等方面具有广泛应用. 关键词： 单光子计数成像 阳极探测器 楔条形阳极 分辨率     

小麦超弱延迟发光测试系统

应用一种新型高灵敏度光电倍增管作为传感器,设计一套用于检测小麦超弱发光的光子计数测量系统,实现对储藏小麦超弱发光的定量测量.适当安排LED阵列分布,设计适合延迟发光需要的照明系统,通过对白光LED光源辐射等效单光子能量和流明效率的计算,建立起光照度与光子数强度之间的联系,实现了光源照射强度与样品延迟发光强度之间的定量比较.对不同光照强度下小麦样品延迟发光的测试和双曲函数拟合,探讨了小麦超弱延迟发光双曲函数拟合参量的变化规律;发现不同照射强度下存在不同的饱和照射时间;小麦超弱延迟发光强度曲线符合双曲衰减规律,超弱延迟发光持续时间达数小时.通过对光照时间和数据采集时间的精确控制,以及在拟合函数中设置延迟时间参量因子,实现了延迟发光测试数据对应时间点的精确标定.     

超微弱生物发光图像中的统计检验

应用光电阴极探测灵敏度为０．５ｃｐｓ／ｍｍ＾２的超高灵敏度的光电成像系统，获得了绿豆芽和活体昆明鼠的超微弱生物发光图像，并用统计理论研究了极弱光强条件下光子图像的信号检测和问题，文中在信号和噪声均为泊松分布的条件下，分析了从光子噪声中检验是否有信号的判据以及影响到检验的５个因素对检验结论的影响，以此判据成功地检验到实验获得的昆明鼠发光光子图像中的信号。     

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。     

微光夜视系统新的阈值探测理论和视距探测方程研究

在对各种阈值探测理论和视距探测方程进行深入研究分析的基础上，从人眼阈值特性和微光视觉理论出发，建立微光夜视系统新的阈值探测理论模型，导出微光夜视系统新的视距综合探测方程。     

基于超导纳米线单光子探测器深空激光通信模型及误码率研究

高速深空通信是深空探测的关键技术之一,具备单光子灵敏度的激光通信系统将大大提高现有的深空通信速度.然而,单光子条件下的激光通信不仅需要考虑传输环境的影响,还需要考虑实际单光子探测器性能和光子数量子态的分布.本文在不考虑大气湍流影响的情况下,以光电探测模型为基础,引入超导纳米线单光子探测器(SNSPD)系统的探测效率和暗计数,建立了反应系统差错性能的数学模型,提出了系统误码率的计算公式.先对公式中的光强和激光脉冲重复频率对误码率的影响进行仿真,再通过实验结果验证仿真模型.结果表明,光强对误码率的影响最明显,随着光强从0.01光子/脉冲到1000光子/脉冲的增加,误码率从10~(-1)到10~(-7)量级明显下降;激光脉冲重复频率对误码率的影响受到不同光强的制约,但都随着脉冲重复频率的增加呈下降趋势.与此同时,当增加光强或者提高速度时,误码率高于仿真结果,约在10~(-4)量级,其原因可能是实际通信中调制光信号的消光比不足和光纤引入背景噪声提高了系统暗计数.以上模型和实验结果为进一步开展基于SNSPD的月球-地球、火星-地球等高速深空激光通信奠定了基础.     

Noise analysis in correlated imaging, quantum and classical

The theoretical analysis of the noise property is presented in a correlated imaging system. For both entangled source produced by parametric down-conversion (PDC) and classically light source, a small aperture of the imaging system makes the noise increase slightly and the resolution of the imaging signal degrade. We also show that, in PDC case, the noise is strongly influenced by the source size because of the existence of the entanglement, while the effect is not obvious in the thermal case.     

共焦扫描显微成象的光学断层平面分辨率与信噪比之间的关系

在Fried的一维分辨度理论的基础上,系统地讨论了光学成象系统两维分辨率与信噪比之间的定量关系,并以反射式共焦显微成象为例,建立了实际显微成象系统分辨率的定量计算方法.所得出的结果对于选择共焦扫描显微成象系统的最佳参量及评价所设计的显微成象系统的性能具有重要的意义.     

光子集成干涉成像系统微透镜排布设计与图像复原

光子集成干涉成像系统体积小、重量轻、功耗小,且系统分辨率不受单个透镜口径尺寸的限制,是一种新兴的成像技术.针对光子集成干涉成像系统图像复原问题,开展了图像复原技术和微透镜阵列最优排布研究,提出了基于压缩感知的光子集成干涉成像图像恢复技术,以及基于图像残差的最优微透镜阵列排布设计评估方法;通过计算仿真,可实现在有限空间体...     

同步辐射的相干模式

在分析了光源相干相体积的基础上，重点研讨了第三代同步辐射中波荡器（ｕｎｄｕｌａｔｏｒ）辐射的相干模式，能谱亮度，相干光子通量等，这对提高光束线相干能量的传输效率和软Ｘ光相干学束线的设计具有重要意义。     

Resolution and noise in ghost imaging with classical thermal light

The resolution and classical noise in ghost imaging with a classical thermal light are investigated theoretically. For ghost imaging with a Gaussian Schell model source, the dependences of the resolution and noise on the spatial coherence of the source and the aperture in the imaging system are discussed and demonstrated by using numerical simulations. The results show that an incoherent source and a large aperture will lead to a good image quality and small noise.