基于ICCD光子计数的滤光片透过率测试

陈 群，徐 欣，王镇窑，钱芸生



基于ICCD光子计数的滤光片透过率测试

陈 群，徐 欣，王镇窑，钱芸生

（南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094）

针对光经深截止滤光片衰减后，达到光子计数水平，其透过率难以用一般测量仪器测出的情况，设计了基于ICCD的光子计数成像系统，介绍了系统的工作原理，硬件组成和图像处理所涉及到的软件算法，给出了利用单位时间内透过的光子数计算透过率的计算方法，并对一给定的日盲滤光片进行了透过率测试。在特定波长范围内，测试结果的数值相对实际情况偏小，测试结果的数量级与实际一致，表明该系统的测试稳定性较高。经过分析，系统最小可探测到每秒钟几百个光子，可用于经滤光片衰减后达光子计数水平的滤光片透过率测试。

ICCD；光子计数；透过率；多帧图像累加；连通区域标记

0 引言

深截止型日盲紫外滤光片是日盲紫外电晕探测系统的核心部件，它可以有效滤除日盲区以外波段的光，抑制背景光（近紫外和可见光）的响应，从而提高探测系统的信噪比[1]。光谱透过率是日盲滤光片的一项重要参数，为了提高日盲紫外电晕探测系统的灵敏度，有必要对滤光片的光谱透过率进行测量。目前，测试滤光片透过率的科学仪器主要是分光光度计、DF透反仪（差动型透射率反射率测量仪）、傅里叶红外光谱仪等[2]。然而，这3种仪器的极限透过率约为OD5。2009年，刘卫国、孙鑫等人提出的光电检测系统，将透过率测试范围拓展到了OD6[3]。但对于带外深度截止的日盲紫外滤光片来说，其透过率可达OD10，上述仪器的测量精度不能满足测试要求。2014年，崔穆涵，周跃等人又提出了超大动态范围滤光片截止深度测试系统，测量精度可达OD11[4]。其文章中因采用单色仪作为光源会使衰减OD10后的光电流过低，导致PMT（光电倍增管）无法测量，而采用了一系列窄带LED作为光源，使得光源的波长选择受到了限制且测试结果连续性不足。针对上述情况，采用了基于ICCD的光子计数成像方式，以单色仪作为光源，通过确定单光子所属空间，在二维坐标中对光子进行探测。对于ICCD所输出的图像视频信号，利用图像采集卡进行采集，同时，鉴于光电探测器ICCD的结构和工作原理，运用多帧累加处理和连通区域标记算法进行光子计数，获得单位时间内透过滤光片后的光子数，最终，经过相关的计算和转换即可得到日盲滤光片的透过率。

1 基于ICCD的光子计数成像系统

1.1 系统工作原理

ICCD是弱光探测领域的主要光电探测器件，由前置增强级、中继光学元件、CCD像传感器3个独立部分组成[5]。它利用了光阴极暗电流非常低及像管图像亮度增强的优点，为CCD提供一个低噪声光子数预放大器，以实现微光电视摄像功能[6]。其工作原理是：入射光子先到达光电阴极，激发出电子，再通过微通道板进行电子倍增，电子数量增加。倍增后的电子轰击荧光屏，激发出光子[7]。打在荧光屏上的图像耦合到CCD上，再由CCD产生信号电荷输出。基于该器件所构建的光子计数成像系统，其原理框图如图1所示。

激光泵浦宽带光源用来产生高亮度、高稳定性的宽带白光，经过光调制器的调制后入射双级联单色仪，在计算机的控制下，产生所需要的单色光，由于双级联单色仪采用了两个单色仪，故其具有良好的杂散光抑制能力，能产生高质量的单色光，准直系统将光栅单色仪输出的光转变为准平行、小束径的单色光入射被测滤光片；经滤光片衰减后的光入射至紫外ICCD，经光电转换和电子倍增，驱动CCD输出图像视频信号，随后通过图像采集卡采集图像并在工控机上显示，最后通过工控计算机对所得到的图像进行处理和计算。

1.2 硬件选择

硬件选型方面，核心器件ICCD采用的是中国兵器工业集团某公司自主研发的紫外ICCD，其内部结构图如图2所示。

该紫外ICCD主要由紫外镜头、CsTe光电阴极、双级联微通道板、荧光屏、耦合器件和CCD及其后端驱动电路组成，是可获得图像的光电真空器件，具有高灵敏度、高分辨率的优点。该紫外ICCD主要技术指标如表1所示。

图1 ICCD光子计数成像原理框图

图2 紫外ICCD内部结构图

表1 紫外ICCD主要技术指标

由于紫外ICCD输出PAL制式视频信号，故应选一个支持PAL制式的图像采集卡将紫外ICCD输出的视频信号采集至计算机显示与分析处理。该光子计数成像系统最终选用了维视数字图像技术有限公司的MV-810图像采集卡。

2 透过率计算处理方法

2.1 多帧图像累加处理

由于待探测目标的照度很低，且噪声相对较高，因此会很大程度地减小输出信号的信噪比。通过对静态图像序列采用图像多帧累加技术，可大大改善图像的信噪比，有效减小暗计数对测量结果的影响[8]。

该图像(,,)是由噪声图像(,,)和原始图像(,,)一起组成的，即：

(,,)＝(,,)＋(,,) (1)

图像多帧累加技术就是指将不同时刻的帧的图像对应像素点的图像信号进行相加，从中取得累加图像(,,)：

在本文所提到的光子计数成像系统中，可视为一个单光子的事件的情况是当多帧图像经过累加处理后某一像素点的阈值小于灰度值，则说明光子落到该点的次数较多。在实验中，使用的是MV-810工业高清图像采集卡。首先修改采集卡配套软件中录制视频功能部分的代码，使其具有计时功能并且设置视频采集时间是每次一秒钟。将此卡采集来的紫外ICCD输出的视频信号在计算机上显示，然后将采集的视频通过计算机软件平台转化成图像，并实现阈值二值化处理和图像多帧累加，最终将显示出多次处理后的图像。

2.2 连通区域标记算法

图像在经过多帧累加后，通过阈值二值化处理，可以得到一幅灰度值为0或255的灰度图，255表示有光子事件发生，0表示无光子事件发生。若可统计出该幅图像中的亮点数，每个亮点视为一个光子事件发生，即可计算出整幅图像的光子数。根据ICCD的结构和工作原理可知，光生电子在经过MCP放大后，由于出射时存在一定的扩散角，打到荧光屏上的是一个个光斑，所以采用连通区域标记算法计算整幅图像的亮点数。

连通区域标记算法是对二值化图像进行处理和分析中较为重要的一种算法。从第一个灰度值不为0的像素作为基点开始，逐个检查其邻接区域像素的灰度值，若不为0则一起标记为一个连通区域，再将其邻接区域的每个像素作为基点向周围领域扩散检查直至该连通区域周围的像素灰度值全为0，以此类推即可统计该图像的连通区域个数。该连通区域标记算法具体流程如图3。

这里以八连通区域标记算法举例说明，图4为12×6图像点阵，其中共有4个连通区域，分别用1、2、3、4进行标记。原先这些像素灰度值均为255，首先找到第一个灰度值为255的像素点(3,1)，以其为像素基点依次检查其8邻域像素点的灰度值，若为255则标记为1，表示1号连通区域，所以点(2,2)、(3,2)、(4,2)均标记为1，然后再以这3个点为像素基点，分别检查其8邻域像素点的灰度值，被标记过的点不再进行二次标记，所以点(2,3)标记为1，当再以此点作为新的像素基点检测其8邻域像素点的灰度值时，发现已无灰度值为255的点，故第一个连通区域标记结束。将该连通区域像素点均设为0再进行第2个连通区域的标记，以此类推，直至所有连通区域标记完成。

2.3 光功率的计算

计算滤光片的透过率，需要知道输入光功率和输出光功率。输入光功率即光源光功率，可以利用通用辐射计直接测量获得。输出光功率则需要用光子能量进行相应的转换和计算。

光子是一种有能量或动量但静止质量为0的粒子，而光线则是由大量光子组成的一束光子流[10]。根据光子能量公式，一个波长为，频率为的光子，其能量为[11]：

式中：h为普朗克常量，其值为6.63×10－34 J×s；而c为光在真空中的传播速度，其大小为3×108m/s。

图4 八连通区域标记算法说明

一束单色光的光功率定义为单位时间内通过光子的总能量，故光功率等于单光子的能量乘以光子的流速，符号为，表达式为[11]：

＝×

式中：为单个光子的能量；为光子流速，即单位时间内通过某一截面的光子数，单位为count/s。

光子流速为：

＝/

式中：为单张图像上的光子数；为采集单张图像的时间。本实验中所采用的图像采集卡提供25帧/s的AVI格式采集，在此处为40ms。

3 系统测试结果和误差分析

3.1 测试结果

图5为实验室内搭建的基于ICCD光子计数的透过率测试系统。为了确定阈值二值化处理中的阈值，共设计了10次暗环境下的测试，其中亮暗环境的切换可以使用双级联单色仪的入光口快门开关进行控制，将每次暗环境下采集到的视频经过多帧图像累加处理，将处理后的图像中所有像素点灰度的最大值作为阈值。10次的测量结果平均值为3.7，取整为4。

图5 基于ICCD光子计数的透过率测试系统

测试系统主要用来测量极低透过率的情况，因为透过率较高时，采集的图像呈现一片集中的亮点，光子计数会产生很大的误差。以日盲型滤光片作为实验对象，选取透过率较低的截止波段测量，取300～320nm范围，波长间隔为2nm，每个波长采集10次。将采集到的视频经过多帧累加处理和阈值二值化处理，处理后的图像如图6所示，该图像为300nm波长处进行处理后的图像。

将上述经多帧累加和阈值二值化处理后的图像通过连通区域标记算法进行光子计数，对10次测试所得的光子数取平均值，由2.3节光功率计算理论可计算出滤光片在对应波长处的透过率。表2所示为滤光片透过率结果。

图6 300nm波长处ICCD光子计数成像系统采集处理后的图像

3.2 误差分析

3.2.1 光源稳定性分析

由于该套测试系统使用的是单光束的滤光片光谱透过率测试方法，所以光源的稳定性显得尤为重要。为了测试分析光源的稳定性，做了相隔不同时间后光源光功率的对比实验。计算每个波长下的相对标准偏差，结果如图7所示。

从图7可知，光源光功率的相对标准偏差在0.9%以下，可以认为光源的稳定性符和测试要求，对测试精度的影响可基本忽略。

3.2.2 重复性测试分析

为了评价该系统测试结果的稳定性，对300～320nm波长下的透过率依次进行多次测量，并计算几次实验结果的相对标准偏差，结果如图8所示。

从图8中可以看出，测试结果的相对标准偏差在4%左右，最大不超过8%，结果在正常范围内，说明滤光片透过率的测试结果较为可靠。之所以存在一定的偏差，一方面是由于光子计数本身就具有一定的波动性，另一方面，实验过程中为减去暗电流噪声影响，二值化阈值由几次暗环境下所测最大灰度值取平均得到，平均后的阈值相对每一次测量的实际应取阈值还是会有一些差异，使得每一次测量结果间的波动性增大。

此外，系统所测得结果与其他测试手段所得到的数据处于相同的数量级，但结果相对偏小，原因主要是：若光子到达光电探测器表面的时间小于光电探测器的一个积分时间，则有可能发生多于一个光子在同一个积分时间内入射至光电探测器的表面的同一个连通区域。这样会产生误计数，导致测试结果偏小。

表2 测试波长处滤光片透过率计算结果

图7 不同波长下光源光功率的相对标准偏差曲线图

图8 不同波长下所测透过率的相对标准偏差曲线图

4 结论

日盲滤光片在日盲紫外电晕探测系统中有着极其重要的作用，它能够弥补紫外像增强器在日盲区仍然有着微小响应的缺陷，屏蔽日盲紫外光对于电晕探测系统可能带来的干扰。精确地测量出日盲滤光片的截止深度对整个日盲紫外电晕探测系统的设计至关重要。本文利用激光泵浦宽带光源，双级联单色仪，准直系统，紫外ICCD，图像采集卡和计算机等搭建了一个可以用来测量极低透过率的系统，用多帧图像累加和连通区域标记算法来对读取图像进行处理，经过计算和转换即可得到输出光功率。所得输出光功率与通用幅度计所测得的光源光功率之比即为该滤光片的透过率。该系统具有探测每秒几百个光子的能力，测量结果的数量级与实际一致，而数值偏小，且若经滤光片后的光照过强，这一误差则会更大。实验结果表明，该系统只适合用来测量滤光片透过率极低情况下的透过率。

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Optical Filter Transmittance Test Based on ICCD Photon Counting

CHEN Qun，XU Xin，WANG Zhenyao，QIAN Yunsheng

(,,210094,)

A photon counting imaging system based on ICCD is designed to solve the problem that the transmittance is difficult to be measured by general measuring instruments when the light is cut by deep cut-off filter and reaches to the photon counting level. The operating principles of the system, hardware components, and software algorithms used for image processing are introduced. Furthermore, the algorithm used to calculate the transmittance from the number of photons transmitted per unit time is tested and the transmittance of a solar blind filter is calculated. Our studies reveal that, within a specific wavelength range, although the numerical result obtained using our algorithm is smaller than what is observed in experiments, the order of magnitude is the same in the two cases, thus indicating the high reliability of our system. Our analysis shows that our system can probe hundreds of photons per second, and thus, can be used for measuring transmittance in cases that require photon counting after reduction by filters.

ICCD，photon counting，transmittance，multi-frame accumulation，connected area labeling

TN247

A

1001-8891(2017)08-0710-07

2016-09-07；

2016-12-05.

陈群（1995-），女，安徽芜湖人，本科生。E-mail：13222000102@163.com。

钱芸生（1968-），男，教授，博士生导师，主要研究方向：微光与红外成像器件与系统及相关测试技术。E-mail：yshqian@njust.edu.cn。