光学成象装置中作为多检测器的CCD阵列技术领域
本发明涉及光学成象装置，并且更特别涉及使用电荷耦合设备(CCD)的成
象装置。
发明背景
电荷耦合设备(CCD)可以是单独的设备，或者更通常是以阵列(或者作为
线性阵列或者作为X-Y矩阵)排列的单独的单元或像素。利用一适当的光学透镜，
CCD通常被使用作为图像摄影机的一个传感器。CCD具有可见区域400-700nm中的
一个光谱响应，并且通常扩展到近红外区中，700-1100nm。
传统的用途主要集中使用CCD作为图像摄影机的敏感元件(产生视野的电子
图像)。在恢复CCD阵列和抽样累积的电荷之间的时间间隔有时被称为积分时间间
隔。在典型的图象格式中，积分时间间隔是垂直帧速率的结果，对于分别为20和
16.7毫秒(ms)的积分时间间隔，其通常为每秒50或60次。
在某些图像情形中，可用的光级非常低。这里有把辐射能转换为电能的一些
设备。用于低光级的传统的传感器是光电倍增管(PMT)和微通道板(MCP)，其
通过电子的二次发射来提供放大。在PMT中，当光子撞击到其上面时，即，光电子
放射时，光敏阴极释放电子。作用到PMT的元件上的正偏置，倍增器电极，吸引由
光电阴极发射的负电荷电子，e-。当电子打击倍增器电极时，它们引起附加电子的
二次释放，即，二次发射。这些附加的电子随后打击倍增器电极，其具有更高的正
偏置并且释放附加的电子。此崩塌效应继续直到最后的倍增器电极被涉及为止。该
崩塌引起撞击光电阴极的单个光子放大。通常，一个12级的光电倍增器具有大约17
兆的放大倍数。单个光子导致大约17兆电子的释放。该脉冲具有导致大约1毫安
的峰值电流流动大约5纳秒的持续时间。
微通道板以类似的方式放大单个光子事件。在板极中构造微小直径孔，然后
将其涂上一层传导性材料。其效果类似于一个PMT。电子进入孔中并且逐出其它电
子，这些其它电子反过来逐出更多的电子。总的结果就是单个电子启动电子的崩塌
并且信号放大发生。当单独或级联使用时，利用大约100皮秒的时间分辩率可获得
104到107的信号增益。空间分辨率被信道间隔限制，通常在10μm中心上为9μm
直径信道。这种设计的分辩率大约为16行对/mm。在玻璃包络(envelope)的内
部涂上一层MCP的阳极并且该阳极是用一种光电发射材料制造的。当加速光子撞击
敷层时，就会发出光闪。
在MCP CCD阵列中，CCD元件被耦合到MCP的阳极端并且光闪被导向到CCD阵
列中的像素。一个与单个光子一样小的信号可以导致一个可检测的事件。在某些设
计中，级联两个MCP来使CCD系统的灵敏度增加二倍以上。在一个方向上利用并行
传导带构造CCD阵列并且P型信道停止在正确的角度。当光入射在P+型硅栅上时
产生电子孔对。表示图象无素信号的电荷，被储存在加偏压损耗的电极下的电势阱
中，即，阵列中的图象元素(像素)。通过把一个正脉冲应用到相邻的电极上来传
送电荷。整个图像被传送给一个存储光栅。按顺序把每个水平线从存储光栅中读出
以便提供一个输出信号。也可从各个像素中读出信号，并且这在某种情况下是理想
的。
从一个CCD阵列中读出数据的速率具有重要的分支(ramification)。如果
很长一段时间没有读取CCD并且入射光非常弱的话，则存储电荷将随时间增长并且
可以获得一个可用的图像。
虽然可以构造一个PMT阵列来仿真一个增强的CCD的检测能力，但是使这方
法不足的是存在物理的原因。一个增强的CCD的优点是检测器面积所需的小尺寸。
大量的像素可以适合在一个不足一平方厘米的面积中。如果一束光纤电缆处于MCP
输入表面的前面并且一个合适的透镜用于把光纤电缆发射的光进行聚焦，则通过小
至阵列中每一光纤的单一像素就可监视大量的各个光纤电缆。因为这里有几百个像
素----512×512像素是不寻常的----一个显著数量的各个光纤电缆可以被耦合
到单个检测器阵列上。
因此，本发明描述了一种装置和方法，用于对通过单个输入光纤电缆看到的
一个单一光电事件或者通过阵列可以监视的明显多于一个的光电事件使用单个CCD
阵列作为一个检测器。
发明内容
本发明的一个目的是对于发生在频谱的可见的和近红外区部分中的光电事件
使用一个CCD或者一个图像增强冷却CCD阵列作为一个检测器。
本发明的另外一个目的是使用一个透镜来把从一束光纤电缆中形成的光耦合
在位于冷却CCD阵列前面的图像增强设备的输入表面上。
本发明的另外一个目的是对于各个事件的一个或多个检测器使用单个图像增
强冷却CCD阵列作为一个检测器。
本发明的另外一个目的是使用单个图像增强冷却CCD阵列作为一个积分检测
器，因此可以通过单个检测器阵列获得在时间上分开的光电事件。
总的来说，本发明提供一种用于激光成像装置的扫描仪组件，包括多个瞄准
仪，其弧形方式布置在一个开口的周围，要扫描的物体就放置在该开口中；多个光
纤电缆，每一个都与各自的瞄准仪相关联；和一个CCD阵列，其布置在光纤电缆的
另外一端以便检测通过这台瞄准仪获取的并通过这台光纤电缆传送的光。
从下列详细描述中本发明的这些和其他目的将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的检测器组件的示意透视图，示出了具有N×N像素矩阵
的一个CCD阵列，一个聚焦透镜，一个光滤波器，一个用于支持光导纤维束的支管
(manifold)和一捆光纤电缆。
图2是示出由光线说明的一部分的CCD阵列的示意透视图。
图3是一台CCD摄像机的示意方框图，该CCD摄像机包括一个电子电路以便
控制并读取CCD阵列。
图4是一个数据采集系统的示意图，其在光扫描应用中使用一个或多个光纤
电缆来耦合由各个瞄准仪采集的光，该校准仪是通过作为围绕胸部的一个阵列来定
位的。
图5是CCD阵列处的光纤电缆的端子的配置。
最佳实施方式
在图1中公开了一种组件R，其把CCD阵列2作为光电检测器使用在计算的
层析成象激光胸透X线照相术装置中。从扫描腔中采集的光通过多个光纤电缆4被
发射，多个光纤电缆4通过适当的支管6结合在一起以便以一利特定的模式把光纤
电缆4定位在CCD阵列2的前面。支管6是一种支架，其包括孔矩阵7，每一孔矩
阵适合于容纳并在其中支撑一个光纤电缆4。从光纤电缆4的端子中发射的光线9
被导向到CCD阵列2。光滤波器8可用来选择性地调谐由光纤发射的波长(在它们
撞击CCD阵列2之前)。单个滤波器8可被使用于整套光纤电缆束组而不是每一光
纤一个滤波器。滤波器8可以是只传递期望波长范围的一个带通滤波器。滤波器8
也可以是只传送比截止波长更大或更小的期望波长范围的一个截止滤波器。滤波器
8被使用于荧光成像中，如美国专利No.5,952,664中所公开。透镜10可用来把来
自光纤中的光聚焦在CCD阵列2上。在光纤束被放置非常接近于或者接触与CCD阵
列2联合使用的微通道板(MCP)12时，可以去掉透镜10。
CCD阵列2包括以阵列(或者线性阵列或者X-Y矩阵)的形式安排的各个单
元或像素14。参考图2，由轨迹13表示的来自光纤4的光线表示了四个像素。所
说明的像素数可以通过透镜10的使用来控制。改变透镜10可以减少或扩大所说明
的像素数。透镜10的的选择考虑了与少数几个像素一样小、或者与要说明的所有
像素覆盖的面积一样大的面积。CCD阵列的每一元素或像素担当一个单独的传感器，
对从光纤电缆中发射的光作出响应。通过传感器看到的光强度被读出并用于重建被
扫描物体的图像。
使用于本发明中的一个标准CCD摄像机15在图3中公开。由光纤电缆4发射
的入射光16被导向到光学透镜18上，其把入射光分布到CCD阵列2。快门20可
用于控制在CCD阵列2上辐射的光。窗口密封22提供一个光紧闭外壳。摄像机控
制逻辑和电源24被用来控制CCD阵列2。直流电压26、串行时钟驱动信号28和
并行时钟驱动信号30连接到CCD阵列2。一个低噪声前置放大器32用于放大CCD
像素信号。模块34提供一个模拟处理和模拟数字转换。像素输出数据36被耦合到
一个计算机接口电路38，其是一个高精度图像帧抓取器，例如来自Germany
Goettingen的La Vision Gmbh公司的Pico Star High Resolution-Product
Imager。摄像机控制逻辑和电源24提供一个照相机状态信号40。计算机接口电路
38提供照相机命令42。电路38在计算机44和CCD阵列2之间提供接口。计算机44
用于操作信息来产生由CCD阵列看到的胸部图像。计算机44还可以从CCD阵列内
唯一选定的像素中提取信息。CCD阵列2通过一个热电冷却器46或其它适当的冷却
器来冷却。一个电荷增强设备(CID)或陶瓷金属氧化物半导体(CMOS)阵列，
冷却的或增强的，可以被使用在CCD阵列的场所中。
参考图4，在一个典型的胸部扫描应用中，胸部(未示出)要暂停在开口50
中。激光扫描器52包括用于撞击胸部的激光光束源54。从胸部出射的光被导向到
光出射的胸部区域的瞄准仪所获取。瞄准仪以弧形方式被布置在胸部周围并由关于
开口50的中心居中的轴旋转360度的结构57支撑。光纤电缆是等长的并且提供足
够的松弛来允许结构57旋转。每个瞄准仪都耦合到一个光纤电缆上。包括瞄准仪56
和激光光束54的扫描仪被作为一个单元围绕胸部旋转通过一些相等角位移，直到
穿过一个完整的圆周。在每个角位置处，瞄准仪获得从胸部出射的任何光并将光耦
合到各自的光纤电缆。光纤电缆4的分组由支管6保持。光纤电缆4把光引导到CCD
阵列2的微通道板12上去，形成MCP CCD摄像机15的输入。计算机44处理由摄
像机检测的光以便产生胸部的图像。
光纤电缆4被安排在支管6中以便瞄准仪处的相邻的光纤端子不与CCD阵列
处的另外端子相邻。设计这种配置来在光纤之间提供最小的串音。在使用84个检测
器的激光成像装置中，每个都与各自的瞄准仪和光纤电缆相关联，在此，瞄准仪56
被规定为检测器1而瞄准仪60为检测器84，一个示例为：图5中公开了CCD阵列
处的光纤电缆的端子的配置。注意，瞄准仪端子处的相邻光纤不在支管6处相邻。
在激光成像装置中使用瞄准仪被描述在1997年11月4日申请的申请号为
08/963,760的申请中，因此被参考结合。使用光纤电缆来把由瞄准仪捕获的光发射
到远程检测器描述在1998年11月25日申请的申请号为09/199,440的申请中，因
此通过参考结合，激光成像机的示例被公开在美国专利5,692,511和申请
09/199,440中，因此通过参考结合。用于从探测器的阵列提供的数据中重建图像的
方法描述在1997年11月28日申请的08/979,624申请中，因此通过参考结合。使
用于图像重建中的被扫描的胸部周围的确定描述在08/965,148和06/965,149申请
中，因此通过参考结合。
虽然此发明被描述为具有优选的设计，但是不言而喻，总的来说按照本发明
的原理能够进一步修改、使用和/或改写，并包括在发明所属的领域中的已知或通
常的实践之内出现时偏离，也可以应用到阐明的本质特征，并且落在本发明的范围
或附加权利要求的限制之内。