单光子灵敏和高时空分辨的大动态范围科学增强相机

潘京生，顾 燕，李燕红，孙建宁，张勤东，苏德坦

单光子灵敏和高时空分辨的大动态范围科学增强相机

潘京生1,2，顾 燕1，李燕红1，孙建宁1，张勤东1，苏德坦1

（1. 北方夜视技术股份有限公司，江苏 南京 211102；2. 微光夜视技术重点实验室，陕西 西安 710065）

增强相机结合了MCP增强器和图像传感器这两个成熟的技术，便于对其各组件构成的优化及择优组合，获得单光子灵敏的探测能力，以及精确的空间和时间分辨能力，可在极微弱光条件下获得准确的位置和时间信息，成为一个可用于科学成像的理想的大面阵成像探测器，特别是可结合门控电源，获得超快的曝光时间，并使增强相机也可在较高的光照条件下工作，覆盖一个相当大的工作范围。本文描述了增强相机的构成及其各构成组件的工作特性，介绍了MCP增强器各组件的择优组合和优化构成，结合一个门控电源对光阴极的超高速和高频率的选通，以及一个百万像素的图像传感器经光学耦合后的高速读出，科学增强相机可具有纳秒甚至亚纳秒的时间分辨力，并兼具模拟和光子计数两种模式的大动态范围成像能力，在光子计数模式，具有可达到单光子探测灵敏度，和106count×s－1×cm－2数量级以上的最大计数率，以及10mm（FWHM）的空间分辨的能力。

科学成像；增强相机；MCP增强器；光子计数成像

0 引言

得益于在显微镜、激光、光子探测器和数据获得及分析电子学的最新技术进步，荧光光谱学已经为研究生物分子结构和动态的一个主要技术，而一个可结合快时间分辨和单光子灵敏度的可视化活性分子的成像探测器，可为生物分子的动态和结构的研究提供更深刻的理解[1-5]，但这不仅需要一个高灵敏度和大动态范围的百万像素大面阵焦平面传感器，同时还要求具有更快的帧频以捕获具有快时间分辨的动态事件。

CCD和CMOS图像传感器的应用已覆盖了从便宜的视频相机到昂贵的科学数字相机。随着CMOS图像传感器的技术进步，CCD在消费成像市场的主力地位正在逐渐丧失，在需要高灵敏度的科学成像领域也受到了CMOS的挑战，并且CMOS具有更快的读出电子学，具有捕获更大范围的高速成像的能力，但仍难于满足在一个极微弱光条件下的科学成像要求。

电子倍增CCD（EMCCD）借助于一个额外的倍增寄存器将信号放大到放大器的读出噪声之上，具有很高的灵敏度，可实现光子计数成像，但限于与CCD实质相同的读出电子学结构[6-7]，同样也限定了其所能达到的计数率的动态范围和捕获瞬态事件的能力。

通过在一个CCD或CMOS图像传感器之前增加一个光子计数MCP增强器，以获得单光子探测灵敏度，并保持MCP增强器极好的时间分辨能力，可兼具模拟和光子计数两种工作模式，科学增强相机可在极微弱光条件下获得准确的位置和时间信息，成为一个可用于科学成像的理想的大面阵成像探测器[8-11]。

本文描述了增强相机的构成及其各构成组件的工作特性，介绍了一个基于MCP stack增强器的科学增强相机，通过各组件的择优组合和优化构成，结合一个百万像素的CMOS图像传感器经光学耦合后的高速读出，获得一个高空间分辨（＜10mm）、时间分辨（＜ns）和大动态范围（106counts×s－1×cm－2）的单光子灵敏度的光子计数成像能力。

1 增强相机组件

增强相机是一种特殊形式的MCP探测器，由MCP增强器和数字相机单元组成。通常也称为ICCD或ICMOS，但这个名称似乎易于误导为一个由像增强器与CCD或CMOS图像传感器耦合而成的提供可视化视频图像的高灵敏度相机。实质上，增强相机的主要性能仍然是基于MCP增强器，CCD或CMOS相机单元只不过是作为一个读出器件和接口单元，用来读取MCP增强器荧光屏上的图像信息，以构筑成一个数字图像。科学增强相机不仅需要对MCP增强器各组件进行结构优化和择优组合，同时还要求作为光学读出和接口的CCD或CMOS相机单元，最大程度的保持MCP增强器的主要工作特性，以获得单光子灵敏度的高时空分辨的大动态范围的成像能力。

1.1 MCP

MCP起始于针对像增强器开发的一个通道电子倍增器阵列，其每个细微通道都如同一个电子倍增通道，通道的二次电子的释放深度在20nm以内，因此可响应于穿透深度在1nm～20nm的电离辐射，这不仅包括电子和离子，还有X射线和UV光子，对X射线的高能限约在0.1nm（12.4keV），UV长波限在150nm（8eV以上），通过在MCP输出面上直接蒸镀CsI，可优化其在UV和X射线的响应波段及量子效率。MCP本身就是一个X射线和EUV“日盲”探测器，兼具模拟和脉冲计数两种工作模式，而脉冲计数MCP探测器是对极微弱辐射物成像的一个理想选项。

在探测连续的微弱辐射物时，可采用单片MCP，并施加一个约800V的工作电压，产生102～103的电子增益，输出放大信号的振幅变化相应于输入事件，结合一个荧光屏阳极的光学读出，可提供一个允许可变事件率的模拟放大的可视化图像。

但当被探测的辐射物极其微弱时，入射事件在时间和空间上分离，将无法再以一个模拟方式来捕获持续图像。此时采用一个MCP V stack或Z stack，并施加一个相对较高的工作电压，一个MCP V stack，可在约1600V的偏压下，对单个事件产生一个104～105的增益，并随着工作电压的提高，MCP的空间饱和将导致其输出脉冲高度分布（PHD）从一个负指数幂形式逐渐向峰分布改变，成为正态分布的高斯波形，如图1所示。结合一个位敏阳极，从而可进行位置灵敏的二进制计数，并过适当的电子学甄别以消除背景噪声，实现对极微弱辐射物如单光子的脉冲计数成像探测[12-13]。而借助一个质心坐标算法，通过对电荷云在位敏阳极上的覆盖区域进行处理，探测器的极限分辨力理论上仅限定于通道尺寸，而不是电荷云在位敏阳极的覆盖面积[14-15]。

MCP的脉冲高度计数模式是自限的，探测器对于非常亮的物体的成像也是适合，并且，当对MCP stack施加一个相对较低的电压时，仍可工作于模拟模式，但相比于单片MCP，在空间分辨力上存在损失。

MCP具有极好的时间分辨力，单片MCP的计时精度可优于200ps FWHM，MCP V stack的时间响应可优于750ps FWHM，虽然通道的死时间在ms级，但由于通道密度每平方厘米可达百万计，且每个通道各自构成的独立打拿极，MCP的最大计数率可达106count×s－1×cm－2[12]，小孔径低阻抗的大动态范围MCP的最大计数率可达到108count×s－1×cm－2，而MCP探测器的背景事件率可低至0.1～2count×s－1×cm－2 [16]。

图1 MCP的脉冲高度分辨力和峰谷比

1.2 MCP增强器

像增强器和MCP的开发起源于对夜视仪的军事需求，并得到了很好的发展。MCP是现代像增强器的标志。像增强组件由制作有光阴极的硼硅酸盐玻璃输入窗、MCP和沉积在光纤板上的荧光屏输出窗构成，封装在钎焊金属可伐环陶瓷管的高真空腔体内，如图2所示，并与半开合环型微型电源灌装成一体。

图2 像增强组件结构示意图

像增强器借助于光阴极的外光电效应实现对可见光的探测。光阴极将收集到的入射光子转换为光电子，在一个近贴电压的作用下，逸出真空并聚焦到MCP，经MCP放大形成的电荷云，再经一个6kV/mm的高压加速，撞击荧光屏阳极，转换为可见光图像。MCP与荧光屏间的高压可抑制电荷云在级间间隙传输时的横向散布，减少空间分辨力的损失，并为电荷云提供足够的撞击能量，提高荧光屏的转换效率。

光阴极门控是现代像增强器的最新技术之一，借助于光阴极与MCP之间电压的自动门控，达到纳秒级时间和10kHz频率的光阴极门控，在高亮度环境比例减少进入MCP的光电子流，从而将像增强器的动态拓展到黄昏黎明暮曙光的高光照级别。

MCP探测器可借助于像增强器的光阴极实现对UV、可见光到近红外（NIR）微弱光辐射的成像探测，并兼具模拟和计数两种工作模式，覆盖从亮亮度级别（High-light Level，或光子噪声限定，Photo Noise Limit）到微光限定（Low Light-level Limit，或光子计数限定，Photo Count Limit）这样一个相当大的动态范围。

门控可作为增强相机的电子快门，如采用一个分离的门控电源模组，不受体积、重量和功耗的限定，将更易于获得一个超快时间曝光的电子快门。

1.3 光阴极

目前，市场上可得到的像增强器主要分为超级S25（Super S25）光阴极的超二代像增强器和GaAs光阴极的三代像增强器。Ⅲ-Ⅴ族化合物光阴极具有负电子亲和势（NEA）而具有更高的量子效率，但需在MCP输入面上增加一个离子阻挡膜，以阻止MCP的离子反馈对NEA光阴极的伤害，限定了NEA光阴极量子效率的有效利用率。

增强相机可借助于应用于光电倍增管（PMT）或MCP-PMT的多种类光阴极的选择，优化MCP增强器工作响应波段的量子效率和背景事件率，如图3所示，双碱光阴极灵敏于160～650nm，在350nm处量子效率峰值接近30%甚至更高，而GaAsP光阴极灵敏于300～700nm，在500nm的量子效率峰值达到45%甚至50%，并且，MCP stack因其叠加间隙具有捕获反馈离子的功能，无需使用离子阻挡膜，可有效发挥NEA光阴极的高量子效率优势。

图3 各种光阴极的光谱响应范围和量子效率

CsTe光阴极灵敏于115～320nm的UV波段，结合一个在280nm以上波段深度截止（12倍光学密度）的滤光片，基于CsTe光阴极的增强相机可在全日光下实现日盲紫外的成像探测。相比之下，GaN光阴极有更高的量子效率，但也有更长的长波限。

降低背景事件率，如同增加量子效率，可有效提高探测灵敏度。S25光阴极属于拓红响应的多碱光阴极，与GaAs光阴极一样，有很好NIR响应，长波限在900nm以上。更高的感红响应总是伴随着更低的带隙，由此带来更高的热释放概率。以碱基光阴极为例，多碱S20光阴极的光谱响应覆盖到900nm，双碱光阴极则到650nm，而CsTe光阴极的长波限在320nm，相比之下，S20的典型暗计数率50count×cm－2×s－1，双碱为10count×cm－2×s－1[17]，而CsTe则低至3count×s－1×cm－2。通过制冷还可进一步降低光阴极的暗电流。

1.4 荧光屏

荧光屏的选择取决于荧光屏材料发光的光谱范围和峰值，以及荧光屏材料的转换效率和发光响应（衰减）时间。对于增强相机的应用，为避免帧读出的叠加，荧光屏的衰减时间是最重要的参数。

通常按荧光屏材料的衰减时间将荧光屏分为两类，如表1所示。第一类具较慢的衰减时间，但转换效率高，如P20和P43。第二类具有非常快的衰减时间，但转换效率稍低，如P46和P47。目前像增强器采用P43和P20荧光屏，除了是考虑其具有一个高的转换效率之外，还在于其发光光谱的峰值对应在人眼过渡视觉所灵敏的蓝绿光范围，即所谓的浦肯野（Purkinje）现象。但即使是P43荧光屏的衰减时间常数也达到了1ms，而P46荧光屏则低至300ns。图4所示的是P20荧光屏激发100ns和P43荧光屏激发20ns后起始500ms的衰减时间关系[18]。

1.5 图像传感器与电子学读出

在增强相机中，相机单元作为MCP增强器的一个光学读出和接口单元，获取荧光屏的光信号的空间和时间分布，将其转换为图像传感器像素上的数字单位（DN），并进行实时的数据处理，集成到图像贮存单元，以构筑成一个数字图像。为保持来自MCP增强器的时间信息，要求图像传感器与电子学读出对荧光屏的每一个光点的获得和处理，都必须在相同位置上的随后事件发生之前完成。

图4 P43荧光屏在激发20ns后和P20荧光屏在激发100ns后在起始500ms的衰减

表1 各种荧光屏的发射光谱和衰减时间及功率效率

CCD与CMOS图像传感器本质上都基于光二极管阵列的光生电流的积分和读出，两者的主要差别是信号从信号电荷转移和转换为模拟信号并最终转换至数字信号的不同方式。CCD的串行读出限定了其可达到的帧频，特别是对于一个百万像素以上的图像传感器。而CMOS图像传感器的数据通路在前端是大规模并行的，这样每个放大器都拥有低的带宽，当信号到达数据通路瓶颈，即芯片与芯片外电路系统之间的接口时，CMOS图像传感器的数据已经是数字的了[19]。显然，CMOS图像传感器可达到更快的读出速度，并具有紧凑，简单，抗辐射，低功耗和低成本的优点。

CCD相比于CMOS具有灵敏度高、噪声低的特点，但CCD的低噪声仅在其慢读出速度上得到，并且在增强相机中图像传感器接收的经MCP增强器放大过的信号，即使图像传感器有较高的读出噪声或较低的信噪比，也都不再成为对系统探测灵敏度的限定。

但鉴于MCP增强器的高放大特性，图像传感器有限的阱容将成为限定增强相机的空间分辨和光强度测量的瓶颈。一种采用太阳能电池模式的非偏置光二极管结的开放电路电压的像素设计的对数算法转换增益的CMOS图像传感器，可承受一个大于120dB的景内动态范围[20]，在仅需可视化图像的视频成像的应用中也展示了很好的效果，包括热成像/可见光融合的应用，但也由此而缺失光子响应的线性对应，不利于进行光强度的精确测量。

CMOS图像传感器还可以全局和卷帘两种快门方式输出，全局快门为阵列中的所有像素同时曝光，卷帘快门则为不同行的像素依序曝光在不同的时间并按序读出，卷帘快门可进一步提高读出速度并降低噪声，但采用那种读出方式更合适取决于应用的需要。

CMOS图像传感器的电子学读出可由基于FPGA的驱动电子学和实时数据处理单元以及可连接到PC的接口构成；FPGA具有电子学系统结合软件再构造的优势，不仅保持固定不变的系统结构，并可允许采用多种算法的数据处理，同时还可显著提高硬件逻辑的计算速度，采用FPGA即时数据处理不仅有助于CMOS图像传感器的实时的感兴趣区域（ROI）能力的开发，同时对于减少用于进一步离线分析的数据流下游的数据量也是很有必要。

CameraLink的高速图像数据传输接口理论上具有300MBps的数据传输率，5倍高于高速USB2.0接口，而光纤快速串行连接器更是可达到1.2 GBps。

1.6 光学耦合

采用光纤板，将MCP增强器1:1的光学耦合到一个大面阵的图像传感器，或借助于一个光纤锥，以提供特定比例的缩放，如图5所示，光纤耦合可使组件结构更加紧凑，并减少体积重量，同时也可采用可拆卸的机械固定方式，以便于两个亚系统间的替换或调整，但这都需要首先除去图像传感器的窗口。

直接借助透镜来实现MCP增强器与数字相机单元之间的光学传输，可便于两个亚系统间的替换或调整，提供更灵活的系统配置。图6所示的是一个MCP增强器经透镜耦合到集成FPGA和RAM子系统的CMOS数字相机的增强相机的结构示意。

图5 采用光纤锥（左）或光纤板（中）耦合的ICCD或ICMOS的示意图和一个带光纤板窗口的CMOS模组（右）

图6 基于MCP增强器和sCMOS的科学增强相机的构成示意图

光学透镜耦合与光纤耦合相比，存在耦合效率的损失，但实质上两者的差距并不是想象那么大，通过MCP增强器及图像传感器的增益设置来弥补。特别是在MCP V stack增强器中，在光子计数模式MCP V stack的饱和增益，本身就可能超过了图像传感器的满阱容量的承受能力。

2 单光子灵敏高时空分辨大动态范围的增强相机

借助于多种光阴极的选择，实现对多种辐射物的敏感，基于位敏阳极直接电荷读出的光子计数MCP成像探测器，和基于荧光屏光学读出的光子计数ICCD，都成功地多次完成太空UV和X射线成像任务，特别是前者，包括开放式和封装式，集成多种位置灵敏阳极。如楔条形阳极（Wedge Strip Anode，WSA），交叉延迟线（Cross Delay Line，XDL）阳极和交叉条（Cross Strip，XS）阳极等等，与结合小型化多通道ASIC电路的电子学成像读出技术相融合，其中，基于XDL阳极的大面阵（100mm×100mm）的MCP探测器的读取速度达到约500kHz的全局计数率[10]，而一个40mm有效面积的ICCD，经1:3.6的比例耦合到CCD，即使是仅有一个60fps帧频的全帧读出，但凭借可在一个单帧内记录多个光子事件在荧光屏上的亮度信息，也获得了2.6×104count×cm－2×s－1的最大计数率[21]，MCP光子计数成像探测器成为太空UV成像任务的自然选择[22]，并开始从太空成像应用向科学成像领域转化。

虽然增强相机在这里增加了一个重复的电光-光电转换过程，但也由此可借助传统像增强器和现代图像传感器这两个成熟技术，通过MCP增强器各组件的择优组合和优化构成，包括多种光阴极材料的选择，以优化其在特定应用所需要的响应波段的量子效率和暗电流，同时结合一个百万像素的CMOS图像传感器的智能相机单元，经光学耦合后的高速读出和数据处理，以保持MCP增强器对微弱辐射物探测的时间和空间信息，获得单光子灵敏度的高时空分辨和大动态范围计数成像能力，便于将光子计数增强相机进一步拓展到非太空成像任务的科学成像以及工业应用。而通过采用特殊软件，还可进行大吞吐量的3D图像的再构造[23]。

光子计数增强相机是对极微弱光成像的一个最佳选项。当光强度低于10－5lx时，光子在时间和空间上相分离，捕获一个持续的图像已经不再可能，此时通过增加施加在MCP stack上的工作电压，使MCP达到空间电荷效应所导致的饱和状态，只要在受最大计数率限定的动态范围内，不管输入事件率多少，MCP对每一个有效输入事件都将产生一个恒定振幅的输出脉冲，从而可实现单光子灵敏度的二维空间和一维时间的光子计数成像。

一个10mm孔径12mm间距的MCP V stack，对应一个由单个事件引发产生的电子脉冲级联，可在像增强器的荧光屏上产生一个约50mm直径的光点。光子计数增强相机通过图像传感器光学读出获得每一个亮点的位置信息及亮度分布，再借助于数字化的数据处理优势，将处理后的光子事件的精确位置信息集成进入图像贮存单元，通过每一位置上的光子数量来配置图像的亮度分布。

而通过一系列的FPGA和CPU用于高速数据处理，对光点采用一个可质心到图像传感器亚像素的算法处理包括对畸变的校正，可达到一个优于25mm（FWHM）[21]甚至10mm（FWHM）的空间分辨力[24]。

光子计数增强相机的计数率首先限定于相机单元的读出速度。以目前市场可得的一个12.0mm×12.0mm像素尺寸1280×1024的CMOS图像传感器最快帧频为500fps，即使是与一个18mm有效直径的MCP增强器，经1:1的光学耦合，如果按一个光子事件在荧光屏上60mm（FWHM）的覆盖区域来折算，也可基本保持光子计数MCP计数率的动态范围（105～106count×cm－2×s－1），而借助于CMOS图像传感器的bining模式和感兴趣区域直接寻址，可得到一个更快速度的读出，还可更大程度地保持MCP的计数率的动态范围。但考虑到一个P43荧光屏可达到的1kHz的光学读出，由此目标定位的起点应该是一个1kHz帧频的百万像素图像传感器的相机单元[17]。

增强相机还可工作在模拟模式，在光强度高于10－5lx时，通过降低施加在MCP stack上的工作电压，提供102～104的光子增益，可得到持续输出的允许可变事件率的灰度级别图像。

但不管是CCD还是CMOS，其通常仅60dB的动态范围是远远不够的。在模拟模式，可通过降低MCP工作电压，得到一个足够低的增益，以避免图像传感器在曝光时间内的饱和过曝。但在计数模式，MCP V stack必须工作在高增益的饱和状态，以具有足够窄的PHD和高的峰谷比，通过适当阈值设置消除MCP的背景噪声，这样，仅由单个光子引发的最小探测信号，经MCP V stack放大后，在荧光屏上产生一个输出光点，就可具有约106～107个光子。

虽然通过转换增益（e-/ADU）的设置可一定程度调整CMOS图像传感器的动态范围，但终究限定于其有限的满阱容量，除非改变MCP增强器的构造以限定增强器的亮度增益，但这将导致在模拟工件模式下空间分辨力的降低。对于不受体积重量限定的应用，在MCP增强器与相机单元间直接采用透镜耦合的增强相机或许成为必要，以便于提供多种组件的组合及功能选项，甚至增加必要的光学衰减也可作为一个附加选项，避免一个线性转换增益的图像传感器在大动态范围的成像和光强度测量时遭遇饱和甚至过曝。

利用像增强器光阴极与MCP间电压的门控作为电子快门，可以获得一个超快的曝光时间，同时，还可通过在不同光强度下比例减少进入MCP的光电子流，使增强相机可工作在高光照条件。科学增强相机可采用分离式的门控电源模块，从而不受体积重量功耗的限定，可获得一个短至纳秒级甚至亚纳秒（200ps FWHM）的超快曝光时间，和高达200kHz甚至MHz重复率，使增强相机同样也适用于在高光照条件下工作，覆盖一个相当大的工作范围。

通过光阴极门控可获得的亚纳秒级的获得帧的计时精度，适用于获得一个与瞬间产生的大数量事件的辐射源同步触发的非连续帧的成像，超快的门控能力是增强相机相比于其它所有科学相机的一个独特优势，对于那些不需要成续成像的瞬态事件的成像，基于光阴极门控的增强相机应该是一个最佳选择。

3 结论

增强相机结合了MCP增强器和图像传感器这两个成熟的技术，便于对其各组件构成的优化及择优组合，以获得单光子灵敏的探测能力，和精确的空间和时间分辨能力，可在极微弱光级别下获得精确的位置和时间信息，成为可用于科学成像的一个理想的大面阵成像探测器，特别是可结合一个门控电源，获得一个超快的曝光时间，并使增强相机同样适用于在较高光照条件下工作，覆盖一个相当大的工作范围。而采用一个百万像素的图像传感器的高速读出，以保持MCP增强器的主要特性，科学增强相机可在光子计数模式下，具有可达到106count×s－1×cm－2的最大计数率，和优于10mm（FWHM）的空间分辨力的能力。

对于需要精确的位置、时间和光强度信息的微弱光成像或瞬态成像，包括通过显微镜来得到被检生物样品释放的光子信息，特别是研究生物分子结构和动态的科学成像，单光子灵敏高时空分辨的大动态科学相机是一个非常理想的探测器。

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Large Dynamic Range Science Intensified Camera with Single Photon Sensitivity and High Spatiotemporal Resolution

PAN Jingsheng1,2，GU Yan1，LI Yanhong1，SUN Jianning1，ZHANG Qindong1，SU Detan1

(1..,,211106,; 2.,710065,)

An intensified camera contains a hybrid detector that combines two established technologies, MCP intensification and image sensing, which facilitates optimal configuration and is the preffered choice for each assembly unit to achieve photon counting imaging with single photon sensitivity and precise spatiotemporal resolution. Therefore, this equipment becomes an ideal large format image detector for science images, which need accurate position and temporal information under extremely low level light conditions. With a high speed gate power supply, this camera can provide not only an ultrafast exposure time, but also a very large operation range to extend operation in higher light level conditions. The configuration of the intensifier camera including the operation properties of its main components is described. The preferred combination and optimal assembly of each main component for a MCP intensifier is introduced, combining a power supply with ultrafast speed and high repetition frequency for photocathode gating, and an optical coupler with a megapixel image sensor for high speed readout. The science intensified camera can have a nanosecond and even sub-nanosecond temporal timing capability, and operates over a large dynamic range with two operation modes: analog mode and photon count mode. The camera is expected to operate in photon count mode with single photo detection sensitivity, a maximum counting rate more than 106counts sec-1cm-2, and a spatial resolution less than 10μm (FWHM).

Science Imaging，Intensified Camera，MCP Intensifier，Photon Count Imaging

TN223

A

1001-8891(2017)09-0864-07

2016-10-18；

2017-07-12.

潘京生（1965-），博士，研高工，从事基于微通道板的微弱辐射物成像探测器的研究。E-mail：pjs@nvt.com.cn。

国家自然科学基金（61275152）。