一种探测器的准直方法与装置与流程

本发明涉及数字信号处理、光电信号处理和核探测领域，尤其涉及一种单光子时间分辨的探测器的准直方法与装置。

背景技术：

探测器的准直是一直是光学领域中最为基本且最为重要的方面，其重要性体现在探测器获得被探测物的飞行方向、位置等重要方面。由于飞行方向和位置是被探测物或被探测粒子（包括费米子和玻色子）的基本属性，所以探测器的准直或者准直功能对于探测器来说是十分重要的。

已有的探测器准直技术主要包括有单孔准直技术和透镜准直技术。

单孔准直技术即“小孔成像”故事中出现的准直技术，其准直原理是透过带孔屏障的光线都经过了孔（几何上简化为一个点），根据光线在均匀介质中沿直线传播的特点，在屏障后放置一个显影片或者幕布，即可对待测的发光物体进行显像，完成了对射入光线的准直。

透镜准直技术不同于单孔准直技术，是利用透明介质扭曲射入光线对发射的光线和光线束进行准直，其优点在于获取的光线立体角更大，因而探测效率更高。

以上两种准直方式一般工作在光强足够的情形下，而对于光子数极为稀缺的情形，由于探测效率的限制，显得不具有可用性。在某些生物体发光、切伦科夫发光和部分闪烁发光等机制中，单次事件的发射光子数在两千个以内，探测效率成为选择探测方式中极为重要的因素。

因此，针对上述技术问题，有必要针对有限的光子数，提供一种新的探测器的准直方法与装置，以克服上述缺陷，全面捕获微弱发光事件的角度（2-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、动量(3-D)共9维信息。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种探测器的准直方法与装置，该方法与装置能有效地读出一个发光事件的多个光子的电信号样本，通过改进准直方式，减少或者缓解总光子数较少对探测或者成像带来的影响。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种探测器的准直方法，其包括步骤：

S1：将多个探测孔式元胞组成探测面，覆盖发光事件发出光子经过的区域；`

S2：在每个孔式元胞的内壁附上感光元件，感光元件能提供光子的击中时间和感光位置；

S3：通过仿真或者实测，计算每个孔式元胞对光线射入角度的似然函数；

S4：通过最大化所有探测器的联合位敏似然函数，估计粒子束的射入方向。

优选地，在上述的探测器的准直方法中，所述发光事件是指存在光子或者其他粒子发射的物理现象。

优选地，在上述的探测器的准直方法中，所述的单光子事件是单个光子击中光电器件并被侦测到的事件。

优选地，在上述的探测器的准直方法中，所述时间窗条件甄选是指多个单光子（不少于9个）事件在很短的时间窗内（例如90 ns）发生，即认为该多个单光子事件属于同一次发光事件。

优选地，在上述的探测器的准直方法中，所述光子在孔式元胞内的相对位置是指光子在孔内感光元件上的相对位置，这个相对位置和射线入射角度有直接的关系。

优选地，在上述的探测器的准直方法中，所述发光事件发生的位置是指发光事件的发光中心。对于平行光素，发光的位置可以被认为是无穷远处。因而可以认为，上述准直方法可以用来探测平行光。

优选地，在上述的探测器的准直方法中，所述探测器的感光孔是指建造在探测器底座上的孔状几何，这些孔用于确定光子束的射入方向。

一种探测器的准直装置，其中包括孔式元胞组合模块、孔式元胞内壁结构模块、孔式元胞光电模块、元胞信息与计算模块和方向估计模块。

孔式元胞组合模块，用于对组合各个孔式元胞，使孔式元胞组合成合理的探测面，朝向光源并依据光子的飞行方向，进行机械结构上的优化。

孔式元胞内壁结构模块，用于每个孔式元胞内感光元件的支撑与固定。每一个孔式元胞内的感光元件可以相同也可以不同，具体设置按照最大化似然函数的导数的偶数阶范数为参数的选定准则。

孔式元胞光电模块，用于将光子或其他飞入的粒子转化为电信号，通常为速度较快的光电器件。

元胞信息与计算模块，用于从电信号的样本中提取感兴趣的时间位置信息。

方向估计模块，用于估计射入光束的方向。

从上述技术方案可以看出，通过采用本发明的探测器的准直方法与装置，能有效提高装置的探测效率，特别适合于对弱光光束的探测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）更高的探测效率：由于本方案中在光子接收的过程中没有施加额外的媒介，因而没有透镜准直的光子损耗；

（2）多视角全3D的探测器设计：一次扫描即可同时获取超大视角的单光子信息，因而可以获得比单孔准直更大探测有效面积；

（3）超长聚焦和超大视野：由于多孔和孔内多向的探测几何，基于该种孔式元胞的设计具有超长的焦距和超大探测视野。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明探测器的准直方法的流程图。

图2为本发明探测器的准直装置的装置结构图。

图3为本发明的由孔式元胞组成的探测器模块。

图4为本发明由孔式元胞探测器模块组成的探测系统。

图5为本发明多个孔式元胞时间窗甄选事件的示意图。

图6为本发明典型的探测器的准直装置的空间分辨率。

图7为本发明典型的探测器的准直装置的30个发光事件的重建结果。

图8为本发明的点状测试假体。

图9为本发明的线状测试假体（横排）。

图10为发明的线状测试假体（纵排）。

具体实施方式

本发明公开了一种单光子时间分辨的探测器的准直方法与装置，该方法与装置能有效地增大成像视野，提升探测器的探测效率。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明公开的探测器的准直方法与装置通过以孔式元胞采集单光子信号，再利用时间窗条件甄选和估计理论甄别出发光光束的角度，具体的方法步骤为：

S1：将多个探测孔式元胞组成探测面，覆盖发光事件发出光子经过的区域；`

S2：在每个孔式元胞的内壁附上感光元件，感光元件能提供光子的击中时间和感光位置；

S3：通过仿真或者实测，计算每个孔式元胞对光线射入角度的似然函数;

S4：通过最大化所有探测器的联合位敏似然函数，估计粒子束的射入方向。

以上探测器的准直方法中，所述发光事件是指单个放射性同位素原子核发射带电粒子在介质中发生切伦科夫效应。

以上探测器的准直方法中，所述发光事件是指存在光子或者其他粒子发射的物理现象。

以上探测器的准直方法中，所述的单光子事件是单个光子击中光电器件并被侦测到的事件。

以上探测器的准直方法中，所述时间窗条件甄选是指多个单光子（不少于9个）事件在很短的时间窗内（例如90 ns）发生，即认为该多个单光子事件属于同一次发光事件。

以上探测器的准直方法中，所述光子在孔式元胞内的相对位置是指光子在孔内感光元件上的相对位置，这个相对位置和射线入射角度有直接的关系。

以上探测器的准直方法中，所述发光事件发生的位置是指发光事件的发光中心。对于平行光素，发光的位置可以被认为是无穷远处。因而可以认为，上述准直方法可以用来探测平行光。

以上探测器的准直方法中，所述探测器的感光孔是指建造在探测器底座上的孔状几何，这些孔用于确定光子束的射入方向。

如图2所示，本发明公开的探测器的准直装置，其中包括孔式元胞组合模块100、孔式元胞内壁结构模块200、孔式元胞光电模块300、元胞信息与计算模块400和方向估计模块500，具体为：

孔式元胞组合模块100，用于对组合各个孔式元胞，使孔式元胞组合成合理的探测面，朝向光源并依据光子的飞行方向，进行机械结构上的优化；

孔式元胞内壁结构模块200，用于每个孔式元胞内感光元件的支撑与固定。每一个孔式元胞内的感光元件可以相同也可以不同，具体设置按照最大化似然函数的导数的偶数阶范数为参数的选定准则；

孔式元胞光电模块300，用于将光子或其他飞入的粒子转化为电信号，通常为速度较快的光电器件；

元胞信息与计算模块400，用于从电信号的样本中提取感兴趣的时间位置信息；

方向估计模块500，用于估计射入光束的方向。

如图3、图4及图10所示，图3为本发明的由孔式元胞组成的探测器模块，图4为本发明由孔式元胞探测器模块组成的探测系统，图5为本发明多个孔式元胞时间窗甄选事件的示意图，图6为本发明典型的探测器的准直装置的空间分辨率，图7为本发明典型的探测器的准直装置的30个发光事件的重建结果，图8为本发明的点状测试假体，图9为本发明的线状测试假体（横排），图10为发明的线状测试假体（纵排）。结合图3、图4及图5，通过几个具体的实施例，对本发明探测器的准直方法与装置做进一步描述。本发明提出的探测器的准直方法与装置，其涉及到的参数、时间窗条件甄选处理需要根据与获取数据的特点进行调节以达到良好的切伦科夫辐射分辨性能和较短的脉冲持续时间。此处列出所涉及的应用实施例处理数据的参数。

实例1：

此处列出本实施例处理数据的参数：

步骤（1）所用的实际装置为使用暗箱尺寸为1.45m×1.45m×1.45m。射源为511kev的正电子湮灭伽马光子18F-FDG；

步骤（2）采用红光增强的硅光电倍增管，探测器采用环状结构；

步骤（3）符合时间约为9ns，符合判断采用离线式的时间窗条件甄选处理；

步骤（4）采用解析的光子束重建方法，直接绘出光束的时间和方向。

实例2：

此处列出本应用实例2处理数据的参数：

步骤（1）所用的实际装置为使用暗箱尺寸为1.8m×1.8m×1.8m。光源为活体荧光蛋白的微弱光源，每秒发光事件为500次，每次发光产生900个光子；

步骤（2）采用红光增强的光电倍增管，探测器采用平板结构；

步骤（3）符合时间约为9ns，符合判断采用离线式的时间窗条件甄选处理；

步骤（4）采用迭代的光子束重建方法，绘出光束的时间和方向前迭代了50次。

本发明的方法和装置可以用于生物医学成像中的准直器设计，同时也可以用于工业检测、国防、能源等重要领域。

本发明提供的探测器的准直方法中。通过时间窗条件甄选，剔除生物体的自发光和背景光。通过单光子事件在孔内的相对位置判断发光事件的时间和射入角度，比背景技术中的单孔准直和透镜准直的探测效率高，视野范围广。

通过采用本发明的探测器的准直装置，能有效提高装置的成像信噪比，抵御生物组织自发光影响，特别适合于小动物等成像深度要求不高的活体成像。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）更高的探测效率：由于本方案中在光子接收的过程中没有施加额外的媒介，因而没有透镜准直的光子损耗；

（2）多视角全3D的探测器设计：一次扫描即可同时获取超大视角的单光子信息，因而可以获得比单孔准直更大探测有效面积；

（3）超长聚焦和超大视野：由于多孔和孔内多向的探测几何，基于该种孔式元胞的设计具有超长的焦距和超大探测视野。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。