透镜耦合ICCD相机级联模型和探测量子效率

    0 引言

    ICCD相机在微光条件下具有高增益、高分辨、高信噪比等优点,在光阴极后镀上金属基底,能够作为选通器件来使用[1-3],广泛应用于与瞬态光学测量相关的领域1作者为/强光一号0Z箍缩装置[4]建立了一套基于镜头耦合ICCD相机的分幅图像诊断系统,用于诊断不同时刻的Z箍缩等离子体物理图像1本文中引入医学成像领域中评价射线成像系统性能的重要参量探测量子效率(Detective QuantumEfficiency)[5-6]来分析图像量子(光子、电子)在ICCD相机中的传输过程,研究影响系统性能的主要因素,探测量子效率实际上是信噪比平方的传递函数,与通常所采用的信噪比传递函数评价方法[7]相比,更便于表征噪音的统计特性。

    1 系统模型描述

    系统的基本物理过程为:量子效率为Q的光阴极产生的光电子进入微通道板的入射面,微通道板出射的次级电子碰撞荧光屏产生光子,这些光子通过透镜耦合到CCD阵列,如图1,像增强器为二代近贴式像管.

    1.1 ICCD相机的噪音源

    探测量子效率为信噪比平方的传递函数,定义为

    式中,f为空间频率,SNRout和SNRin分别为输出和输入信噪比。

    在ICCD相机系统中包含以下几种噪音源:1)入射光子的统计涨落;2)光阴极量子转换效率的涨落;3)微通道板增益的涨落;4)荧光屏电子-光子转换效率的涨落;5)中继镜头耦合效率的涨落;6)CCD电子转换效率的涨落.在本文中忽略光电阴极的暗发射噪音、微通道板增益级数的变化、荧光屏的颗粒噪音等。

    1.2 ICCD相机级联模型及其探测量子效率

    1.2.1 级联模型描述

    将图像量子(光子、电子)在系统中的传输等效为若干个增益和散射过程。    在ICCD相机中,光子首先经过像增强器的增益与散射,然后通过透镜耦合到CCD上1像增强器对光子的增益过程包括光阴极的增益过程、光电子经过微通道板的级联增益过程、荧光屏的增益过程;像增强器对光电子的散射过程包括由光电子在光阴极和微通道板之间以及微通道板和荧光屏之间的聚焦模糊引起的散射,以及光子在荧光屏中的散射等,本文用一个虚拟散射级来统一考虑像增强器的散射问题1将透镜的耦合作用看作是对荧光屏出射光子的量子选择过程,然后再经过CCD光敏单元的增益与散射输出。

    1.2.2 探测量子效率

    级联模型的基本过程包括量子增益、量子散射和附加量子噪音过程1文中级联模型的假设有:1)入射光子为单能光子,符合Poisson分布;2)系统为线性相不变系统;3)每个量子的作用过程与其他量子不相关;4)噪音过程为广义稳态随机过程。

    包括量子增益、量子散射和附加量子噪音过程的级联模型探测量子效率表达式[5-6]为