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基于电子轰击式CCD的大动态条纹相机研究

朱敏 田进寿 温文龙 王俊锋 曹希斌 卢裕 徐向晏 赛小锋 刘虎林 王兴 李伟华

基于电子轰击式CCD的大动态条纹相机研究

朱敏, 田进寿, 温文龙, 王俊锋, 曹希斌, 卢裕, 徐向晏, 赛小锋, 刘虎林, 王兴, 李伟华
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  • 为了实现对更弱、以及物理量跨度更大的信号探测, 满足材料、生物、信息、半导体物理以及能源等重大科学领域对诊断精密化的进一步需求, 需要提高条纹相机的动态范围、空间分辨率和信噪比. 为此, 本文研制了基于电子轰击式CCD(EBCCD)的大动态条纹相机, 条纹变像管采用时间和空间方向分别聚焦的矩形框电极和电四极透镜结构, 可降低空间电荷效应. 并提高电子加速电压, 减小电子渡越时间以降低空间电荷相互作用时间. 采用基于电子轰击读出技术的背照式CCD(BCCD)作为读出器件, 取代传统的像增强CCD(ICCD)以缩短图像转换链, 较大地降低了超快诊断设备转换过程中的图像衰减, 从而提高条纹相机图像的信噪比、空间分辨率和动态范围. 实验得到静态空间分辨率高于35 lp/mm, 动态空间分辨率达到20 lp/mm, 偏转灵敏度为60.76 mm/kV, 动态范围达到2094:1, 扫描速度非线性为5.04%, 条纹相机的电子轰击半导体(EBS)增益达到3000以上.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11274377)和国家财政部重大科研仪器研制项目-高性能条纹相机的研制(批准号: ZDY2011-2)资助的课题.
    [1]

    Ivo H M van Stokkum, Bart van Oort, Frank van Mourik, Bas Gobets, Herbert van Amerongen 2008 Biophysical Techniques in Photosynthesis 26 223

    [2]

    Lu Y Q, Liang W X, Zhang J, Wu J J, Tian J S, Wang J F, Zhao B S 2006 Acta Phys. Sin. 55 6500 (in Chinese) [刘运全, 梁文锡, 张杰, 吴建军, 田进寿, 王俊峰, 赵宝升 2006 物理学报 55 6500]

    [3]

    Li J, Niu H B 2002 Journal of Optoelectronics·Laser 13 784 (in Chinese) [李冀, 牛憨笨 2002 光电子·激光 13 784]

    [4]

    Pan J S, Qi L, Xiao H L, Zhang R, Zhou J X, Pu D D, L J W 2012 Acta Phys. Sin. 61 194211 (in Chinese) [潘京生, 亓鲁, 肖洪亮, 张蓉, 周建勋, 蒲冬冬, 吕景文 2012 物理学报 61 194211]

    [5]

    Zou Z F, Lu H S, Bai T Z, Gao Z Y 2001 Journal of Beijing Institute of Technology 10 186

    [6]

    Feng J, Engelhorn K, Cho B I, Lee H J, Greaves M, Weber C P, Falcone R W, Padmore H A, Heimann P A. 2010 Appl. Phys. Lett. 96 134102

    [7]

    Yuan Y T, Hao Y D, Zhao Z Q, Hou L F, Miao W Y 2010 Acta Phys. Sin. 59 6963 (in Chinese) [袁永腾, 郝轶聃, 赵宗清, 侯立飞, 缪文勇 2010 物理学报 59 6963]

    [8]

    Niu H B 1989 Acta Photon. Sin. 18 196 (in Chinese) [牛憨笨 1989 光子学报 18 196]

    [9]

    Liu J, Ding Y K, Tian J S, Liu S Y, Cao X B, Wen W L, Hu X, Xu X Y, Wang J F, Dong G Y, Liu H L, Wang C, Zhang T 2012 High Power Laser and Particle Beams 24 2405 (in Chinese) [刘杰, 丁永坤, 田进寿, 刘慎业, 曹希斌, 温文龙, 胡盺, 徐向晏, 王俊锋, 董改云, 刘虎林, 王超, 张铁 2012 强激光与粒子束 24 2405]

    [10]

    van Roosbroeck W 1965 Phys. Rev. 139 A1702

    [11]

    George M, Williams Jr. 1992 Electron Tubes and Image Intensifiers SPIE 1655 14

  • [1]

    Ivo H M van Stokkum, Bart van Oort, Frank van Mourik, Bas Gobets, Herbert van Amerongen 2008 Biophysical Techniques in Photosynthesis 26 223

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    Lu Y Q, Liang W X, Zhang J, Wu J J, Tian J S, Wang J F, Zhao B S 2006 Acta Phys. Sin. 55 6500 (in Chinese) [刘运全, 梁文锡, 张杰, 吴建军, 田进寿, 王俊峰, 赵宝升 2006 物理学报 55 6500]

    [3]

    Li J, Niu H B 2002 Journal of Optoelectronics·Laser 13 784 (in Chinese) [李冀, 牛憨笨 2002 光电子·激光 13 784]

    [4]

    Pan J S, Qi L, Xiao H L, Zhang R, Zhou J X, Pu D D, L J W 2012 Acta Phys. Sin. 61 194211 (in Chinese) [潘京生, 亓鲁, 肖洪亮, 张蓉, 周建勋, 蒲冬冬, 吕景文 2012 物理学报 61 194211]

    [5]

    Zou Z F, Lu H S, Bai T Z, Gao Z Y 2001 Journal of Beijing Institute of Technology 10 186

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    Liu J, Ding Y K, Tian J S, Liu S Y, Cao X B, Wen W L, Hu X, Xu X Y, Wang J F, Dong G Y, Liu H L, Wang C, Zhang T 2012 High Power Laser and Particle Beams 24 2405 (in Chinese) [刘杰, 丁永坤, 田进寿, 刘慎业, 曹希斌, 温文龙, 胡盺, 徐向晏, 王俊锋, 董改云, 刘虎林, 王超, 张铁 2012 强激光与粒子束 24 2405]

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  • [1] 袁永腾, 郝轶聃, 赵宗清, 侯立飞, 缪文勇. 空间电荷效应对X射线条纹相机动态范围影响的研究. 物理学报, 2010, 59(10): 6963-6968. doi: 10.7498/aps.59.6963
    [2] 潘京生, 亓鲁, 肖洪亮, 张蓉, 周建勋, 蒲冬冬, 吕景文. 微通道板的饱和效应对条纹相机动态范围的影响分析. 物理学报, 2012, 61(19): 194211. doi: 10.7498/aps.61.194211
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    [4] 梁善勇, 王江安, 张峰, 石晟玮, 马治国, 刘涛, 王雨虹. 基于尾流激光雷达的能量对消式大动态接收技术. 物理学报, 2012, 61(11): 110701. doi: 10.7498/aps.61.110701
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    [6] 梁玲亮, 田进寿, 汪韬, 李福利, 高贵龙, 王俊锋, 王超, 卢裕, 徐向晏, 曹希斌, 温文龙, 辛丽伟, 刘虎林, 王兴. 全光固体条纹相机的理论及其静态实验研究. 物理学报, 2014, 63(6): 060702. doi: 10.7498/aps.63.060702
    [7] 田丽萍, 李立立, 温文龙, 王兴, 陈萍, 卢裕, 王俊锋, 赵卫, 田进寿. 小型条纹管数值模拟及实验研究. 物理学报, 2018, 67(18): 188501. doi: 10.7498/aps.67.20180643
    [8] 代秋声, 漆玉金. 针孔单光子发射计算机断层成像的空间分辨率研究. 物理学报, 2010, 59(2): 1357-1365. doi: 10.7498/aps.59.1357
    [9] 张小正, 毕传兴, 徐亮, 陈心昭. 基于波叠加法的近场声全息空间分辨率增强方法. 物理学报, 2010, 59(8): 5564-5571. doi: 10.7498/aps.59.5564
    [10] 曹柱荣, 张海鹰, 董建军, 袁铮, 缪文勇, 刘慎业, 江少恩, 丁永坤. 高动态范围激光等离子体诊断系统及其在惯性约束聚变实验中的应用. 物理学报, 2011, 60(4): 045212. doi: 10.7498/aps.60.045212
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出版历程
  • 收稿日期:  2014-09-20
  • 修回日期:  2014-12-11
  • 刊出日期:  2015-05-05

基于电子轰击式CCD的大动态条纹相机研究

  • 1. 中国科学院西安光学精密机械研究所, 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 西安 710119;
  • 2. 中国科学院大学, 北京 100049
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号: 11274377)和国家财政部重大科研仪器研制项目-高性能条纹相机的研制(批准号: ZDY2011-2)资助的课题.

摘要: 为了实现对更弱、以及物理量跨度更大的信号探测, 满足材料、生物、信息、半导体物理以及能源等重大科学领域对诊断精密化的进一步需求, 需要提高条纹相机的动态范围、空间分辨率和信噪比. 为此, 本文研制了基于电子轰击式CCD(EBCCD)的大动态条纹相机, 条纹变像管采用时间和空间方向分别聚焦的矩形框电极和电四极透镜结构, 可降低空间电荷效应. 并提高电子加速电压, 减小电子渡越时间以降低空间电荷相互作用时间. 采用基于电子轰击读出技术的背照式CCD(BCCD)作为读出器件, 取代传统的像增强CCD(ICCD)以缩短图像转换链, 较大地降低了超快诊断设备转换过程中的图像衰减, 从而提高条纹相机图像的信噪比、空间分辨率和动态范围. 实验得到静态空间分辨率高于35 lp/mm, 动态空间分辨率达到20 lp/mm, 偏转灵敏度为60.76 mm/kV, 动态范围达到2094:1, 扫描速度非线性为5.04%, 条纹相机的电子轰击半导体(EBS)增益达到3000以上.

English Abstract

参考文献 (11)

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