MCP+荧光屏+sCMOS相机：粒子成像滨松解决方案_滨松光子学商贸(中国)有限公司

MCP+荧光屏+sCMOS相机：粒子成像滨松解决方案

张聚方（zhangjufang@hamamatsu.com.cn），郑一哲（zyz@hamamatsu.com.cn），鲍泽宇

本文介绍了利用MCP+荧光屏+可见光sCMOS相机进行粒子成像（电子、离子、高能粒子、中子、紫外线、X射线等各种粒子和能量较高的电磁波）的方案。包括：

1. 基本原理
2. 成像效果相关问题
MCP+荧光屏+sCMOS相机都能对哪些粒子/高能电磁波进行成像？各自的探测效率如何？
MCP+荧光屏+sCMOS相机的探测面积如何？
MCP+荧光屏+sCMOS相机的空间分辨率如何？
3. 选型指南
4. 使用FAQ
MCP+荧光屏模块的供电电路如何连接？
MCP+荧光屏模块使用中推荐给多大的电压？供电电压对寿命和成像效果都有何影响？
在MCP+荧光屏+sCMOS相机成像系统中，如何提升图像质量？
5. 相关资料

# 基本原理

采用sCMOS、CCD等相机对可见光进行成像已经是司空见惯；采用InGaAs对于红外光信号进行成像也并不让人觉得陌生。这些成像的仪器都是让光信号直接在Si、InGaAs等材料的探测器上转换为电子然后进行信号读出的。

而对于一些电子、离子、高能粒子、中子、紫外线、X射线等各种粒子和能量较高的电磁波，其成像的基本思路则有所不同；一般是将其首先转化为可见光光子，然后用sCMOS、CCD等可见光相机进行成像。

本文介绍的MCP+荧光屏+sCMOS相机，会统一将各种粒子和高能电磁波转化为电子，让电子在MCP中增益以放大信号，最后通过荧光屏转化为可见光信号并读出（参考《微通道板（MCP）原理及重要参数介绍》之图1 与图2C ）。

图1. MCP+荧光屏+sCMOS相机成像方案示意。（A）示意卡通图；（B）MCP+荧光屏模块的实际照片；（C）一套完整系统的三视图。

# 成像效果相关问题

FAQ1. MCP+荧光屏+sCMOS相机都能对哪些粒子/高能电磁波进行成像？各自的探测效率如何？

MCP对粒子/高能电磁波响应的基本原理是：粒子/高能电磁波在MCP入口处轰击基底产生二次电子。表1给出了MCP对于各种粒子/高能电磁波的探测效率（detection efficiency）——有多少比例的入射粒子/电磁波能够在MCP入口处轰出二次电子。

从表1中，明显可见不同的粒子/电磁波在MCP中的探测效率并不一样。所以有的情况下，可以考虑事先将探测效率低的粒子/电磁波转换为探测效率高的粒子（如电子）。例如，（a）MCP对VUV的探测效率较低，在VUV探测中，可在MCP入口端镀上CsI等光电转换材料将VUV转换为电子；（b）MCP对可见光几乎无响应，在极弱可见光探测的像增强器中，可通过GaAs等光电材料将可见光转化为电子。

表1. MCP的探测效率（Detection Efficiency）

FAQ2. MCP+荧光屏+sCMOS相机的探测面积如何？

这套方案的探测面积主要取决于MCP的探测面积，具体说来，是MCP对接荧光屏的面积（对应参数为effective area of readout device）。标准型号的探测面积可以高至75-80mm这样的尺寸。

例如：圆形的F2226，与荧光屏对接的有效面积是φ75mm；方形的F2813，尺寸为80mm x 30mm。

详细的MCP探测面积参数请参考选型指南的MCP部分。

FAQ3. MCP+荧光屏+sCMOS相机的空间分辨率如何？

影响空间分辨率的主要参数有：

（1）模块中MCP的片数。MCP+荧光屏模块中可以选择使用单片的MCP或者2片MCP叠加。采用2片MCP叠加时的分辨率要较差（但2片MCP叠加使用时的增益/灵敏度则是更高的）；详细的分析参考《微通道板（MCP）原理及重要参数介绍》的图10与图15。

（2）微通道的直径。微通道直径越小，分辨率越好。

以下是3个滨松MCP+荧光屏配置的分辨率，其中能看出微通道直径和MCP片数对分辨率的影响：

微通道直径6um，单片MCP使用情况下，分辨率（FWHM）为25um；

微通道直径12um，单片MCP使用情况下，分辨率（FWHM）为40-45um；

微通道直径12um，2片MCP叠加使用时，分辨率（FWHM）为80-90um。

此外，可见光光路和相机分辨率/像素数目也可能影响分辨率。以2片MCP叠加使用时的F2225为例，其有效探测面积的尺寸为Φ40mm，分辨率约为80-90um——在有效面积的直径上最多能够区分40mm/80um = 500个点；所以如果相机只有1000x1000像素，理论上可行，但实际上是很难得到满意图像的。

# 选型指南

MCP+荧光屏+sCMOS相机成像方案的选型涉及到法兰、MCP、荧光屏、光学系统和相机等5个方面。其中，法兰，MCP和荧光屏是由用户完成选型，然后由滨松提供对应的模块产品。而由于一般用户都采用自制光学系统，所以相机会单独分开，方便灵活安装。

1.MCP

MCP是整套方案的核心，负责将各种需要成像的粒子、电磁波转化为电子，并进行倍增放大信号。MCP的详细介绍请参考：

	《微通道板（MCP）原理及重要参数介绍》
	微通道板（Microchannel Plate，MCP）可以被用于检测电子、离子、高能粒子、中子、紫外线、X射线等各种粒子和能量较高的电磁波。本文主要对其原理及五个重要参数进行了介绍。

在MCP+荧光屏+sCMOS成像方案的选型中，主要根据探测面积的大小和形状对MCP进行挑选。

表2. MCP+荧光屏模块中MCP的选型一览表

另外，用户还可以选择模块中所用MCP的片数（1片或2片叠加使用）。对于MCP+荧光屏的模块，MCP一般选择2片叠加在一起使用，牺牲一定的空间分辨率以获得更大的增益和信噪比（详细的分析参考本文FAQ3 《微通道板（MCP）原理及重要参数介绍》的图10与图15）。

2.荧光屏

荧光屏负责将MCP输出的倍增电子转化为可见光信号。荧光屏一个最终要的时间就是衰减时间（decay time），也就是电子输入停止后需要可见光信号的衰减快慢。应用对于时间的分辨率要求越高。

在MCP+荧光屏+sCMOS成像方案的选型中，主要根据衰减时间（decay time）对荧光屏进行选型。滨松提供P43，P46和P47三种荧光屏。如果对衰减时间（decay time）没有特别要求，一般选择灵敏度更高且成本更低的P43。

表3. MCP+荧光屏模块中荧光屏的选型一览表

图2. 三种荧光屏的时间特性曲线。在P43的曲线来自于将稳定信号源切断后的光强变化；P46和P47的曲线来自于脉冲信号源结束后的光强变化，曲线与脉冲的宽度相关。

3.法兰

由于MCP的工作是需要真空环境的，所以基本都会需要将MCP+荧光屏与信号来源的系统进行真空密封对接。

滨松提供各种标准制式的法兰（比如CF115，CF100等等），用户在选型时指定即可。

4.相机

这套解决方案中推荐的可见光相机为sCMOS相机，相对于传统的CCD相机，sCMOS相机具有高速、高灵敏度和大动态范围的特点。

	《scientific CMOS（sCMOS）技术介绍》
	sCMOS自2010年左右商业化以来，在科研成像领域对CCD已经实现了大规模地替代。本文主要介绍了sCMOS技术的特点。

表4. sCMOS相机的型号及关键参数一览

相机在选择中，主要考虑：

（1）相机分辨率与MCP+荧光屏模块分辨率的匹配；

以2片MCP叠加使用时的F2225为例，其有效探测面积的尺寸为Φ40mm，分辨率约为80-90um——在有效面积的直径上最多能够区分40mm/80um = 500个点；Flash 4.0系列的sCMOS相机分辨率为2048x2048，足够与MCP+荧光屏模块配合而不影响整体的分辨率。

（2）相机的帧速（当对成像速度有要求时）；

根据应用的不同，实际使用中对相机帧速的要求也千差万别。对于Flash 4.0系列sCMOS相机，全幅帧速可以做到30-100fps（根据不同型号配置），选择较小ROI的时候，帧速最多可以上升至25000fps左右（25000fps @ 512x8或2048x8，根据不同型号配置）

（3）动态范围；

sCMOS相机相对CCD相机一个最为根本的优势就是在高速的同时保障了很低的读出噪声，对应其动态范围也比传统的CCD和CMOS相机提升了一个数量级左右。Flash 4.0系列sCMOS相机的动态范围均在33000:1以上，非常适合与信号强度变化比较剧烈的情况。

此外，作为行业经典型号，Flash 4.0系列sCMOS相机除了高速高灵敏度之外，开发了如下功能以满足各种扩展需求：

（a）各种外触发功能（参考《滨松Flash 4.0系列相机的外触发（Trigger）和同步功能的一些资料》）；

（b）标配免费软件之外的多种软件接口（C/C++, LabView, Matlab等，参考《滨松相机二次开发资源》）；

（c）风冷与水冷切换选项，必要时采用水冷避免振动（限Flash 4.0 V3，点击查看相关参考资料）。

# 使用FAQ

FAQ4. MCP+荧光屏模块的供电电路如何连接？

MCP+荧光屏模块在工作的时候需要分别给MCP入口（MCP IN）、MCP出口（MCP OUT）和荧光屏施加电压。而且三者的电位一定是MCP入口<MCP出口<荧光屏。因为只有这样，粒子/高能电磁波在MCP入口处所转化出的电子才会在MCP中飞行、增益放大，并最终从MCP出口飞向荧光屏（图3A）。

MCP+荧光屏模块总共有三个连接口（Lead），分别对应着给MCP入口，MCP出口和荧光屏提供电压（图3B，D）。

图3. （A）MCP+荧光屏模块的工作原理示意；（B）MCP+荧光屏模块的实际照片；（C，D）MCP+荧光屏模块的两种电压提供方式示意图。

图3C和图3D是两种常用的供电方式。图3C中，MCP出口设置为GND，这样的好处是可以用两个可调电源分别调整MCP的电势差以及MCP出口和荧光屏出口之间的电势差，继而较为精细的调整整个系统的增益甚至分辨率（电压/电势差与MCP性能的关系分析参考《微通道板（MCP）原理及重要参数介绍》）但是，如果待测粒子带负电荷，那么就只有能量足够大的待测粒子才能轰击MCP产生倍增电子——有的时候这可以被用来选择性探测高能待测粒子；但有的时候这会影响到信号和信噪比。

图3D的设置则没有上述问题/功能，同时，对于电势差的调整能力也不及图3C。

FAQ5. MCP+荧光屏模块使用中推荐给多大的电压？供电电压对寿命和成像效果都有何影响？

对于新使用的MCP+荧光屏模块，我们推荐在MCP的入口和出口之间加对应最大电压的70%，在MCP出口和荧光屏之间加对应最大电压的60%。

以图3C和图3D所示为例：

（1）这是一个2片MCP叠加使用的情况，所以MCP入口和出口之间能够承受的最大电压为2kV，那么一开始使用的时候，推荐在这里加2kV x 70% = 1.4kV的电压。如果是1片MCP与荧光屏联用的情况，MCP入口和出口之间能够承受的电压也会相应降为1kV，所以推荐的电压也对应的变为0.7kV。

（2）MCP和荧光屏之间能够承受的最大电压为4kV，所以我们推荐一开始在这里加4kV x 60% = 2.4kV的电压。

过高的电压会影响MCP和荧光屏的寿命，但同时，加大电压也有利于改善最终的图像质量（见FAQ6的讨论）。所以按照以上推荐接通电路之后，需酌情对电压进行调整。

FAQ6. 在MCP+荧光屏+sCMOS相机成像系统中，如何提升图像质量?

图像质量和信噪比、分辨率是息息相关的（参考《信噪比——高端科研级相机的核心参数》的图1）。

光学系统/光路对信噪比和分辨率都有着很关键的影响，除此之外，还能在MCP、荧光屏和sCMOS相机上进行如下调整：

（1）调整sCMOS相机的曝光时间。

（2）提升MCP入口和出口之间的电压可以让荧光屏上的可见光图像变得更亮，改善成像的信噪比。但过大的电压会降低MCP的寿命。