用于时间分辨光子计数成像的采集卡

摘要

本发明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。本发明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，本发明具有时间分辨率高、空间分辨率高的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及微光成像技术领域，特别涉及微光成像技术领域中光子计数成 像技术中用于时间分辨光子计数成像的采集卡。

背景技术

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 Strip Anode) 以及多阳极微通道阵列(MAMA)和电阻阳极(Resistive anode)等.文献(FENG  Bing，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。

发明内容

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， 本发明提出一种用于时间分辨光子计数成像的采集卡。

本发明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(OCXO)、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(OCXO)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U1，所述运算放大器U1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U1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C1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F1的CLK端，低阈值比较电路输出至D触发器F1的D端，所述D 触发器F1的Q端输出光子到达定时信号，所述D触发器F1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U5，或 门U5的输出端接D触发器F1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stop1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PKD01 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。

本发明所具有的优点：

1、具有时间分辨光子计数成像，本发明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，本发明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。光子计数成像的时间分辨可以达 到光子到达时间的测量精度。

3、空间分辨率高，本发明采用峰值保持器芯片PKD01和14位的A/D变换 器芯片AD9240组成峰值采集电路，比利用采样保持器组成的峰值采集电路，可 以更高精度的获取脉冲的峰值，从而更精确地求解出探测到光子的位置坐标， 进而获得更高分辨率的光子计数图像。

4、光子计数率高，本发明利用峰值保持器将脉冲峰值保持住，等检测到光 子到达定时信号后，启动A/D变换器进行一次采集，采集值就是峰值，而不是 把整个脉冲波形采集下来后通过计算求峰值。所以一个脉冲峰值只需要采集一 次。因此大大减小了数据量和运算过程，因此具有非常高的计数率。

5、集成度高，本发明采用FPGA来实现峰值采集控制、位置解码、时间测 量、数据缓存和传输，具有非常高的集成度和灵活性。

6、处理速度快。通过FPGA和DSP配合实现位置解码，FPGA控制数据流和 进行简单的运算，DSP实现浮点数运算，具有非常高的处理速度。

7、应用范围广，本发明所涉及的用于时间分辨光子计数成像的采集卡，可 以广泛应用于荧光寿命成像，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领域。

附图说明

图1为本发明用于时间分辨成像的采集卡的原理图；

图2为本发明光子到达定时信号产生电路的原理图；

图3为本发明光子到达定时信号产生的时序图；

图4为本发明多路脉冲峰值同步采集单元原理图；

图5为本发明多路脉冲峰值同步采集的时序图；

图6为本发明开始信号产生电路图；

图7为本发明恒温晶振时钟电路图；

图8为本发明FPGA峰值采集控制单元、位置解码单元、时间测量单元、数 据缓存和传输的工作原理图；

图9本发明光子到达时间连续测量的原理图；

图10本发明光子到达时间连续测量的时序图；

图11为采用本发明采集卡获得的时间分辨光子计数图像。

具体实施方式

现结合附图来说明本发明用于时间分辨成像的采集卡，本实例采用基于MCP 探测器WSA位敏阳极探测器为例进行说明。WSA位敏阳极，有3个阳极输出W、 S、Z。当探测到一个光子时，探测器将输出三路脉冲信号。

图1为时间分辨成像的采集卡原理框图，成像系统包括成像目标、光学系 统、基于MCP的位敏阳极探测器、三路前置放大和整形主放、本发明所涉及的 用于时间分辨成像的采集卡(框内部分)及计算机。

成像目标经光学系统成像到探测器的输入面，当探测到一个光子时，探测 器输出三路脉冲信号，三路脉冲信号经过三路前置放大器和整形主放后成三路 准高斯脉冲，三路准高斯脉冲输入本发明采集卡。本发明采集卡测量出光子的 位置坐标和光子到达时间，并发送到计算机。计算机通过数据处理。重建不同 时间片的光子计数成像。

采集卡包括光子到达定时信号产生电路、三路脉冲峰值同步采集电路、开 始信号产生电路、恒温晶振时钟电路(OCXO)，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芯片和通信接口电路。

图2为所述的光子定时信号产生电路原理图，U1为运算放大器，连接成同 相求和的形式，对主放大器输出的三路脉冲信号进行求和。求和后的信号分别 输入由电阻R4、电容C1和第一比较器U2连接实现的峰值检测电路、由第一电 位器R5和第二比较器U3实现低阈值比较电路和由第二电位器R6和第三比较器 U4实现的高阈值比较电路。D触发器F1为带有置位和清零端的D触发器，低阈 值比较输出输入D触发器F1的D端，峰值检测输出输入D触发器F1的CLK端。 第一U6和第二U7为非门，用于对D触发器Q端输出的信号进行延迟。高阈值 比较输出和Q端延迟信号经或门U5后输入到D触发器F1的清零RST端。D触发 器F1的Q端输出信号为光子到达定时信号。

图3为光子到达定时信号产生的时序图，因为探测器输出的脉冲除了代表 探测到单光子外，还包括由噪声引起的小幅度脉冲，和高能粒子和脉冲堆积引 起的大幅度脉冲。光子到达定时信号产生方法为，当求和后的信号输出的脉冲 幅度在高阈值和低阈值之间，则D触发器F1的Q端输出方波脉冲信号，该方波 脉冲信号为光子到达定时信号，代表探测到一个光子，当求和后的信号输出的 脉冲幅度小于低阈值或大于高阈值时，则不输出光子时间定时信号。

图4为脉冲峰值采集单元的电路原理图，每一路包括峰值保持芯片，经过 由放大器连接成的跟随器和高精度A/D变换器。峰值保持芯片采用ADI公司的 PKD01芯片，A/D变换器采用ADI公司的AD9240芯片。三路峰值保持芯片的1 管脚和14管脚连在一起作为峰值同步泻放信号的输入端，三路A/D变换芯片 AD9240的CLK连在一起作为A/D同步变换信号。

图5为三路脉冲峰值的同步采集时序图。三路脉冲信号进入到峰值保持0-2 后，峰值保持器保持住脉冲的峰值，同时，三路脉冲信号输入光子到达定时信 号产生电路，如果求和后的脉冲峰值在低阈值和高阈值之间，将产生光子到达 定时信号。则当采集卡上的FPGA检测到光子到达定时信号时，FPGA输出A/D同 步变换信号驱动三个A/D转换器采集三个峰值保持器保持的峰值，采集完后， FPGA输出峰值同步泻放信号，使三个峰值保持器同步泻放峰值，以保持下一次 三路输入脉冲的峰值。在A/D同步变换信号的第四个上升沿，三个A/D变换器 向FPGA输出三路脉冲峰值数据。

图6为开始信号产生电路，按下按钮S后输出由低电平变为高电平信号。 信号上升沿代表开始时刻，开始信号输入到FPGA和输入到TDC芯片的stop1端。

图7恒温晶振时钟电路(OCXO)采用美国MMDC-TECH公司的MDB59P3T，恒 温晶振时钟电路(OCXO)产生高频率稳定度的时钟输入到FPGA和输入到TDC芯 片的start端。

图8为可编程逻辑器件(FPGA)的结构示意图，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，峰值采集控制 单元用于对脉冲峰值采集电路所输入的脉冲峰值进行测量，并将测量的峰值数 据传输给位置解码单元；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，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。在开始信号后，当光子到达定 时信号到达时，的峰值采集控制实现对输入的三路脉冲的峰值进行测量。测量 出的三路峰值数据输入位置解码单元，位置解码模块与DSP配合求解出光子的 位置坐标。DSP与FPGA相连，与FPGA配合工作，根据采集的多路脉冲峰值数据， 求解出光子的位置坐标，WSA位敏阳极的计算光子位置的方法为：

X＝(2×Q1)/(Q1+Q2+Q3)            Y＝(2×Q2)/(Q1+Q2+Q3)

时间测量单元与时间数字转换器芯片配合，测量出光子的到达时间，光子 的位置坐标数据和光子到达时间数据以同步的方式存到数据缓存单元FIFO。数 据缓存单元FIFO中的数据在通信控制单元的控制下，通过USB20.0接口电路， 发送到计算机。

FPGA控制数据流和进行简单的运算，DSP实现复杂运算，如除法和浮点数 运算。

图9为光子到达时间连续测量的原理图，虚线线框内为FPGA实现时间测量 模块。时间测量模块包括计数器，控制逻辑和时间计算单元。时间测量模块与 时间数字转换器芯片(TDC)配合，测量出光子的到达时间。OCXO的时钟信号输 入TDC芯片的start端，开始信号输入TDC中的stop1端，光子到达定时信号 输入TDC中的stop2端。

图10光子到达时间连续测量的时序。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。手动触发产生开始信号后，开始信号的上升沿对 计数器进行清零，TDC的stop1通道测量出开始信号上升沿与OCXO输出脉冲的 时间间隔t₀，在控制器的控制下，计算数器输出的“0”和TDC输出的t₀，代表 所有光子到达时间的统一起时时刻。

当开始信号后，计数器对恒温晶振时钟电路OCXO输出的时钟进行计数，当 一个光子到达定时信号到达时，TDC的stop2通道测量出光子定时信号上升沿与 恒温晶振时钟电路(OCXO)最近输出脉冲的时间间隔t，t代表光子到达的细时 间。此时计数器中的计数值T代表光子到达的粗时间。因此光子到达的时间可 以用下式表示

光子的到达时间＝Tn+tn-t₀(n＝1，2，3…)

时间计算模块根据上式计算出光子到达的时间。在控制逻辑的控制下将光子到 达的时间存到数据缓存单元FIFO。

光子的位置坐标数据和光子到达时间数据以同步的方式存到FIFO缓存。 FIFO缓存中的数据在USB通信控制模块的控制下，通过USB20.0接口电路，发 送到计算机。开发计算机软件对光子的位置坐标数据和光子到达时间数据进行 处理，计算机数据处理方法为，根据连续采集的光子到达时间数据，可找到从 开始信号到任意时刻间隔内的到达的光子的位置坐标数据，重建光子计数图像， 从而得到不同时刻的光子计数图像，实现时间分辨光子计数成像。时间分辨可 到光子到达时间的测量精度。

时间数字转换器芯片(TDC)为德国ACAM公司的TDC-GPX芯片，TDC-GPX 芯片精度的可以达到10ps，因此用本发明的方法，时间分辨光子计数成像可以 达到10皮秒的时间分辨率。

图11为采用本发明采集卡获得的时间分辨光子计数图像，成像目标为分辨 率板的不同时刻的光子计数成像图。

本实例采用基于MCP探测器WSA位敏阳极探测器为例进行说明，WSA阳极 有三路输出，因此本发明实例采集卡的输入为三路，采集卡内有三路脉冲峰值 采集电路，有对三路输入脉冲求和产生定时信号的电路。不能认定本发明的具 体实施方式仅限于WSA阳极位敏阳极读出的MCP探测器。如果探测器的位敏阳 极为游标阳极，则采集卡的输入为九路，采集卡内有九路脉冲峰值采集电路， 有对九路输入脉冲求和产生定时信号的电路，位敏阳极为电阻阳极，采集卡的 输入为四路，采集卡内有四路脉冲峰值采集电路，有对四路输入脉冲求和产生 定时信号的电路。在不脱离本发明构思的前提下，进行若干简单的推演和变换， 都应视为本发明保护范围。