用于时间分辨光子计数成像的采集卡制造技术

本实用新型专利技术涉及用于时间分辨光子计数成像的采集卡，包括光子到达定时信号产生电路、脉冲峰值同步采集单元、开始信号产生电路、恒温晶振时钟电路、可编程逻辑器件、数字信号处理器、时间数字转换器芯片和通信接口电路，脉冲峰值采集单元的输入端接探测器的输出端，脉冲峰值采集单元与可编程逻辑器件相互通信，探测器的输出端通过光子到达定时信号产生电路输入到可编程逻辑器件，开始信号产生电路的输出端与可编程逻辑器件和时间数字转换器芯片连接，恒温晶振时钟电路的输出端与可编程逻辑器件和时间数字转换器芯片连接。本实用新型专利技术解决了现有的光子计数方法中缺少具有时间分辨的光子计数成像方法，本实用新型专利技术具有时间分辨率高、空间分辨率高的优点。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及微光成像
，特别涉及微光成像
中光子计数成像技术中用于时间分辨光子计数成像的采集卡。
技术介绍
随着弱光成像在天文观测、卫星遥感、生物医学成像等领域的广泛应用，对弱光成像探测的灵敏度要求越来越高，光子计数成像是一种极微弱目标的成像方法，具有极高的灵敏度，因此光子计数成像方法可应用于许多领域，如天文观测，卫星遥感，生物医学成像、核辐射成像、空间紫外成像等。目前用于光子计数成像的探测器，主要由光电倍增管(PMT)、单光子雪崩二极管(SPAD)、微通道板(MCP)等。其中，光电倍增管(PMT)、雪崩光电二极管(APD)属于单元探测器，因此需要光机扫描才能实现成像，成像的实时性，时间分辨、空间分辨不高。基于微通道板(MCP)具有面阵结构，通过位敏阳极读出，实现光子计数成像，具有信噪比高、灵敏度高、动态范围宽、抗漂移性好等优点.如基于微通道板(MCP)的位敏阳极探测器主要由级联MCP和位敏阳极组成。基于MCP的位敏阳极探测器光子计数成像方法为，当探测器探测到一个光子时，位敏阳极输出多路电子脉冲信号。多路脉冲信号经过电子读出系统，可测量出探测到光子的位置坐标。经过一定的时间积累，测量出大量的光子的位置坐标数据，根据不同位置的光子计数，合成光子计数图像。位敏阳极主要有楔条形阳极(Wedge and Strip Anode)、游标阳极(Vernier Anode)、交叉阳极(Cross StripAnode)以及多阳极微通道阵列(MAMA)和电阻阳极(Resistive anode)等·文献(FENGBing, KANG Ke-Jun, WANG Kui-Lu，et al. Nucl. Instrum. Meth. A, 2004, 535 546)报道多阳极微通道阵列(MAMA)光子计数成像。文献(Lapington J S，Sanderson B, Worth L B C，et al.Nucl. Instr. Meth A，2002，447 :250)报道了采用游标位敏阳极的光子计数成像。文献(MIAO Zhen-hua,ZHAO Bao-sheng,ZHANG Xing-hua,et al. Chinese Physics Letters,2008，25 (7)，2698)报道了采用WSA阳极的光子计数成像。专利(申请号:200710018631.6单光子计数成像仪)采用的是三电极WSA阳极进行光子计数成像。但它采用波形数字化计数，将阳极输出多路脉冲信号进行全波形进行采集，然后利用软件进行峰值检测。由于这种方法要采集大量数据量无用数据，因此计数率不高。目前报道的文献中，没有涉及时间分辨光子计数。具有时间分辨的光子计数成像，由于可以反映成像目标随时间的变换过程，因此具有非常重要的科学研究价值，可以应用到更多的领域，如荧光寿命成像，生物和医学成像，激光雷达，紫外预警、扩散光学层析以及单分子荧光光谱、时间分辨荧光显微等。
技术实现思路
为了解决现有的光子计数方法中缺少具有时间分辨的光子计数成像方法，本技术提出一种用于时间分辨光子计数成像的采集卡。本技术的技术解决方案如下用于时间分辨光子计数成像的采集卡，其特殊之处在于所述采集卡包括光子到达定时信号产生电路、脉冲峰值同步采集单元、开始信号产生电路、恒温晶振时钟电路0CX0、可编程逻辑器件FPGA、数字信号处理器DSP、时间数字转换器芯片TDC和通信接口电路，所述脉冲峰值采集单元的输入端接探测器的输出端，所述脉冲峰值采集单元与可编程逻辑器件相互通信，所述探测器的输出端通过光子到达定时信号产生电路输入到可编程逻辑器件FPGA，所述开始信号产生电路的输出端与可编程逻辑器件FPGA和时间数字转换器芯片TDC连接，所述恒温晶振时钟电路00(0的输出端与可编程逻辑器件FPGA和时间数字转换器芯片TDC连接，所述时间数字转换器芯片TDC与可编程逻辑器件FPGA相互通信，所述数字信号处理器DSP与可编程逻辑器件FPGA相互通信，所述可编程逻辑器件FPGA通过通信接口电路与计算机连接。上述光子到达定时信号产生电路包括多路脉冲求和电路、峰值检测电路、低阈值比较电路、高阈值比较电路和D触发器F1，所述多路脉冲求和电路为连接成求和形式的运算放大器Ul，所述运算放大器Ul的输入端接收探测器输出的多路脉冲信号，所述运算放大器Ul输出求和信号分别发送到峰值检测电路、低阈值比较电路和高阈值比较电路；所述峰值检测电路由电阻R4、电容Cl和第一比较器U2组成；所述低阈值比较电路由第一电位器R5和第二比较器U3组成；所述高阈值比较电路由第二电位器R6和第三比较器U4组成；峰值检测电路输出至D触发器Fl的CLK端，低阈值比较电路输出至D触发器Fl的D端，所述D触发器Fl的Q端输出光子到达定时信号，所述D触发器Fl的Q端依次通过第一非门U6、第二非门U7后再与高阈值比较电路的输出信号均通过或门TO，或门TO的输出端接D触发器Fl的RST端。上述脉冲峰值采集单元包括多路并联的脉冲峰值采集电路，所述脉冲峰值采集电路包括依次串联的峰值保持芯片、放大器和A/D变换器，所述放大器采用跟随器方式，所有A/D变换器的输出端与变换端CLK相连，所述峰值保持芯片的保持端和泻放端相连。上述可编程逻辑器件FPGA包括峰值采集控制单元、位置解码单元、时间测量单元、数据缓存单元和通信控制单元；所述峰值采集控制单元用于控制脉冲峰值采集单元对所输入的脉冲峰值进行峰值同步测量，并将测量的峰值数据传输给位置解码单元；所述位置解码单元用于与数字信号处理器DSP配合求解出光子的位置坐标数据；所述时间测量单元与时间数字转换器芯片TDC配合，测量出光子的到达时间数据；所述数据缓存单元用于存储光子的位置坐标数据和光子的到达时间数据；所述通信控制单元用于控制数据缓存单元将光子的到达时间数据和光子的位置坐标数据发送到计算机。上述时间测量单元包括计数器、控制逻辑单元和时间计算单元，光子到达定时信5号、开始信号产生电路的开始信号以及同步信号输入控制逻辑单元，恒温晶振时钟电路的时钟信号、开始信号产生电路的开始信号、控制逻辑单元的控制信号输入计数器，时间数字转换器芯片TDC、计数器以及控制逻辑单元的输出端与时间计算单元连接。上述恒温晶振时钟电路的时钟信号输入时间数字转换器芯片TDC的start端，开始信号产生电路的开始信号输入时间数字转换器芯片TDC的stopl端，光子到达定时信号输入时间数字转换器芯片TDC的stop2端。上述恒温晶振时钟电路OCXO采用MDB59P3T，所述峰值保持芯片是PKDOl芯片，所述A/D变换器是AD9240芯片，所述时间数字转换器芯片TDC为TDC-GPX芯片。本技术所具有的优点1、具有时间分辨光子计数成像，本技术通过连续记录光子的到达时间和光子的位置坐标。通过数据处理可以重建任意时间片的光子计数图像，进而反映成像目标随时间的变化过程。2、时间分辨率高，本技术光子到达时间的测量采用粗时间测量和细时间测量相结合的方法。通过对高频稳定度恒温晶振时钟电路进行计数来测量光子到达的粗时间，采用高精度时间数字转换器芯片TDC来测量光子到达的细时间。光子到达时间测量可以达到几十皮秒的精度。光子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：鄢秋荣，赵宝升，刘永安，盛立志，韦永林，赛小锋，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：实用新型
国别省市：