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     

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。     

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。     

时间关联单光子计数中的多光子污染

从推导光子时间概率密度分布函数出发,研究了时间关联单光子计数法测量荧光寿命中,多光子修正函数的特征及其对测量误差的影响,并给出了定理关系式。     

时间分辨光子计数系统的研究和应用

对由SPCM-AQR-14和MCS组成的时间分辨光子计数系统进行了研究,分析了SPCM和MCS的工作原理及主要特性.利用该系统对磷光物质和洋葱的延迟发光进行了测量,对它们的光子计数率曲线进行拟合,发现其光强衰减符合双曲线规律.     

采用Si薄膜的光子计数成像系统性能的研究

在陶瓷基底上利用电子束蒸镀方法制备了Si薄膜,用作感应读出方式光子计数成像系统的电荷感应层,并研究了薄膜的结构特征和表面形态.X射线衍射(XRD)测试和场发射扫描电子显微镜(FESEM)图像表明,沉积的Si薄膜为无定形态,由于陶瓷晶界的存在,薄膜较粗糙.搭建了相应的实验系统,对比了采用不同厚度Si薄膜时系统的空间分辨率、计数率、脉冲高度分布曲线等,发现薄膜的厚度对探测器的计数率影响较大.此外,实验还对比了采用相同电阻值的Si薄膜和常用的Ge薄膜时系统的性能.研究表明,采用Si薄膜时系统的畸变较小、计数率高     

光子计数集成成像的压缩与重构

集成成像技术作为一种重要的裸眼三维显示技术,在完整记录三维场景信息的同时,庞大的数据量给传输和存储带来了压力。为了实现图像的有效压缩和重构,根据光子计数集成成像的特点,基于分布式压缩感知理论,提出用于图像压缩与重构的方案。该方案将图像分为参考图像和非参考图像两类,对其设置不同的测量率并分别进行重构。为保证非参考图像的重构质量,提出一种联合重构算法。该算法首先对非参考图像进行分块测量,依据与参考图像之间的相关性进行图像块分类,然后结合参考图像测量值信息构建新的测量矢量,利用新的测量矢量完成初次图像重构。为了进一步提升图像重构质量,对初次重构结果进行二次残差补偿重构,获得最终重构结果。最后通过设置不同的测量率进行了大量实验,实验结果表明,所提算法在测量率为0.25时,图像重构质量可以达到30 dB,测量率为0.4时,图像质量可以达到35 dB,算法性能具有一定的优越性。     

国外图像光子计数系统的现状及发展

本文重点叙述国外图像光子计数探测系统的发展现状和未来趋势，以及高增益微通道板（ＭＣＰ）的最新进展。     

时间分幅型二维光子计数斑点人像探测系统

在简要叙述了云南天文台斑点相机研制的改进的概况之后，介绍了对新型斑点ＹＯＳＣ－４－时间分幅型二维光子计数斑点像探测系统的研制情况及该系统的性能，试验和分析表明，当进行天文斑点成像记叙有限星等达到１２＾ｍ；随后给出了一些实际的斑点图观测资料和偈复原结果。     

随机扫描多光子荧光显微成像系统

多光子荧光显微成像是生物学研究的有力手段,但目前的成像速度难以满足神经成像中快事件检测的需要。针对这一问题,提出了一套随机扫描快速多光子荧光显微成像系统。系统采用二维声光偏转器快速扫描飞秒激发光束,能够以每点10μs的速度对特定的感兴趣区域进行跳跃式扫描,即随机扫描,使得有效的扫描速度大为提高。引入单棱镜补偿方法解决应用声光偏转器带来的色散问题。以170 nm荧光小球为样品,测得系统的横向分辨力为0.3μm,纵向分辨力为1.3μm。给出了随机扫描系统和商品化多光子荧光显微镜对同一个荧光细胞的成像结果,证明了新系统的成像能力。     

光子扫描隧道显微镜

介绍光子扫描隧道显微镜的物理基础，成像原理和应用。     

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。     

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。     

Ge薄膜特性及其在光子计数成像系统中的应用

利用电子束真空蒸镀方法制作了Ge薄膜,用作感应读出方式光子计数成像系统的电荷感应层,研究了石英玻璃衬底和陶瓷衬底上Ge薄膜的结构特征、表面形态以及各种工艺参数对薄膜电阻的影响.X射线衍射(XRD)测试表明,两种衬底上沉积的Ge薄膜均为立方相非晶态.场发射扫描电子显微镜(FESEM)图像表明石英玻璃衬底上的薄膜致密平整,陶瓷衬底上的薄膜比较粗糙,厚度较薄时,陶瓷晶界处薄膜不连续导致电阻较大.通过改变沉积速率、薄膜厚度及采用退火的方法可以控制薄膜电阻.对比了采用不同阻值电荷感应层时系统的性能,发现阻值对探测器的分辨率影响小,对计数率影响较大.     

基于锁相光子计数测量的单像素空间频率域成像系统

基于锁相光子计数技术,提出一种多波长并行检测的单像素空间频率域成像(SFDI)系统。以一个数字微镜器(DMD)为待测多波长漫反射光的调制光源,以另一个DMD为漫反射光采集、编码与会聚设备,使得会聚后的漫反射光通过锁相光子计数技术实现不同波长的解调分离,同时降低了系统成本。引入压缩感知图像恢复理论,有效缩短了多次空间编码引起的单像素成像时间。实验结果表明,所提SFDI系统只需要进行像素总数20%左右的编码,即可准确重构多波长下仿体表面漫反射光图像。     

光子计数技术及其在弱光计量中的应用

从光子计数原理出发,介绍光子计数系统的构成,分析光电倍增管的脉冲幅度分布,并叙述光子计数技术在弱光计量中的实际应用。     

微通道板增益对光子计数探测器成像性能影响

微通道板作为二维位置灵敏阳极光子计数探测器中的电子倍增器件,其增益特性直接影响探测器的成像性能。搭建了系统测试平台,测量了微通道板的增益随电压变化曲线,并获得了3块微通道板叠加后的脉冲高度分布曲线。根据测试结果以及脉冲高度分布曲线的能量分辨率与探测器增益的均匀性之间的物理关系,选择合适电压值和增益对探测器的性能进行优化,探测器分辨率由3.56 lp/mm 提高到4.49 lp/mm ,获得了清晰图像,为探测器的研制提供了技术支持。     

极紫外位置灵敏阳极光子计数成像探测器研究

研制出了应用于月基极紫外成像仪的二维极紫外位置灵敏阳极光子计数成像探测器原形样机,该探测器主要由工作在脉冲计数模式下的微通道板堆、楔条形位置灵敏阳极及相关的模拟和数据处理电路组成。设计和制备了周期为1 mm,直径为30 mm的三电极楔条形位置灵敏阳极,研制了最高计数率为200 kHz的前端模拟和数字电路。测量了探测器的暗计数率、脉冲高度分布及空间分辨率等工作特性。测量结果表明,该探测器的空间分辨率为028 mm,满足月基极紫外成像仪对空间分辨率的要求。     

光子扫描隧道显微镜和扫描隧道显微镜联用系统的研制

报导我们研制的一套光子扫描隧道显微镜（ＰＳＴＭ）和扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）联用系统的初步实验结果。联用系统采用的基本结构为早先研制的一台ＰＳＴＭ，另外增加了一个ＳＴＭ通道，通过真空蒸镀金膜制作了既导电又导光的光纤探针，联用系统用ＳＴＭ通道隧道电流反馈控制探针高度。初步实验结果表明，ＰＳＴＭ和ＳＴＭ通道既能分别单独成像，亦能用导电导光探针实现ＰＳＴＭ和ＳＴＭ同时成像。