本文提出了一种基于电荷电容分割位置分辨原理的光子位置读出阳极, 能够大幅提高该类探测器的空间分辨率和光子计数率。首先, 介绍了影响现有光子计数成像探测器成像性能的关键因素, 分析了采用电容分割位置分辨方法的优势; 其次, 对电荷电容分割原理展开了理论推导, 分析了光子位置与阳极读出信号变化的空间位置的相关性; 再次, 在理论推导的基础上, 分析了电容分割读出阳极相关物理参数对其空间位置分辨能力的影响; 然后, 提出了电容分割位置分辨阳极的优化设计原则, 并设计了一种新型的基于电容分割的二维光子位置读出阳极。最后, 利用有限元仿真工具COMSOL建立了该电容阳极的模型, 进行了位置分辨原理仿真, 并评估了空间分辨的准确性。仿真结果表明: 阳极的位置分辨误差小于50 μm, 中心区域的位置分辨误差小于5 μm, 阳极的位置分辨性能优良。

微通道板（ Microchannel Plate，MCP）探测器具备单光子（粒子）灵敏的计数成像探测能力，以及多种类型的读出方式和构造及封装形式的选择。 MCP的特征结构决定其具有高空间分辨和快时间响应能力。快速多通道全并行数据处理电子学的应用，使 MCP光子探测器的空间和时间分辨性能得到显著提高，而借助于像增强器高真空封管工艺制程，结合多种光电阴极的选择，构造标准化封装组件及模块，以便于针对不同应用时的灵活配置及专门优化，将 MCP光子探测器拓展到多种学科领域应用，成为对多种微弱辐射物进行高空间分辨和时间分辨的计数成像探测的一个有效工具。

为实现极光光谱中远紫外波段N₂ LBH(140~180 nm)辐射成像探测的需求,采用远紫外光子计数成像探测器对其进行探测。探测器主要由CsI光电阴极、V形叠加微通道板堆、感应式楔条形位敏阳极等构成。首先构建远紫外波段辐射定标测量装置,其主要由真空室、真空位移台、标准传递探测器、远紫外掠入射单色仪、真空紫外光源、信号处理地检设备等组成;然后测试探测器的量子效率、分辨率、暗噪声、极限计数率等;最后分析测试数据。实测结果表明,探测器在工作波段的量子效率最高可达12.9%,空间分辨率为88.3 μm,暗计数率为0.87 counts/(s·cm ²),探测器系统计数率有效测试范围为0~350000 counts/s,能够满足探测极光的N₂ LBH辐射成像需求。

增强相机结合了MCP 增强器和图像传感器这两个成熟的技术，便于对其各组件构成的优化及择优组合，获得单光子灵敏的探测能力，以及精确的空间和时间分辨能力，可在极微弱光条件下获得准确的位置和时间信息，成为一个可用于科学成像的理想的大面阵成像探测器，特别是可结合门控电源，获得超快的曝光时间，并使增强相机也可在较高的光照条件下工作，覆盖一个相当大的工作范围。本文描述了增强相机的构成及其各构成组件的工作特性，介绍了MCP 增强器各组件的择优组合和优化构成，结合一个门控电源对光阴极的超高速和高频率的选通，以及一个百万像素的图像传感器经光学耦合后的高速读出，科学增强相机可具有纳秒甚至亚纳秒的时间分辨力，并兼具模拟和光子计数两种模式的大动态范围成像能力，在光子计数模式，具有可达到单光子探测灵敏度，和10⁶count·s^－1·cm^－2数量级以上的最大计数率，以及10 μm（FWHM）的空间分辨的能力。

本文针对低光子计数成像过程中产生的泊松高斯混合噪声, 提出了一种数据保真项与稀疏约束项相融合的稀疏重建方法。首先, 基于泊松高斯噪声相互独立的混合噪声模型, 建立了数据保真项与稀疏约束项相融合的稀疏重建目标函数; 在图像块聚类的基础上, 应用改进贪婪算法实现类内稀疏分解和字典更新; 最后, 稀疏分解和字典更新交替迭代求解干净图像。针对强烈泊松高斯噪声污染图像的重建实验显示, 本文方法与对比方法相比, 重建结果的PSNR值平均提升了5.5%, MSSIM值也有明显提升。这些结果表明: 本文方法对具有强烈泊松高斯混合噪声的图像有较好的图像复原和噪声去除效果。

楔条形位敏阳极属于电荷分割型阳极，其在光子计数成像探测器中的作用是对光子事件进行位置解码，阳极性能参数对探测器的成像性能有重要影响。对楔条形位敏阳极的极间电容进行研究，通过理论模型得到了阳极极间电容的计算表达式；设计并制作了不同参数的阳极面板，测试分析了阳极周期长度、绝缘沟道宽度、阳极收集面积和衬底材料等因素与阳极极间电容间的关系。阳极极间电容测试结果与理论计算值相符，极间电容计算值与测试值之间的偏差在10%以内。

讨论了在复杂背景条件下采用EMCCD实现光子计数成像的处理策略，提出了一种双重阈值滤波方法并通过实验验证了其有效性。根据EMCCD的成像模型，将EMCCD的输出图像表示为光子事件、偏置噪声和伪光子噪声事件的集合。通过采集多幅EMCCD的输出图像，将光子事件检测问题转化为标准的二元假设检测问题。利用贝叶斯判决，可以得到光子事件检测的最佳检测法则，使光子事件的误判代价达到最小，从而检测出光子事件及其空间分布特征。通过实验对比可以发现：提出的方法明显优于普通的累加积分方法，适合生物微光检测等超低照度条件下的成像领域。

光子计数成像探测器作为探测微弱光的重要手段, 由微通道板, 解码阳极以及后续的读出电路组成, 其中解码阳极的性能直接影响着探测器的成像质量。 作为一种电荷分割型阳极, Vernier阳极利用周期性的正弦电极区域替代了楔条形阳极(WSA)的线性电极, 可获得高的成像分辨率和大的电极活动区域。 根据Vernier阳极的设计原理对Vernier阳极进行了仿真和设计, 首先, 介绍了矢量形式的阳极解码, 确定了阳极设计参量为阳极周期长度, 电极振幅及电极波长; 其次, 分析了各阳极设计参量对探测器成像的影响, 利用Labview软件分别模拟了电子云, Vernier阳极板以及其相互作用成像情况, 确定了Vernier阳极周期长度与粗调波长之间的关系以及设计参数一定时, 成像达到最佳的电子云大小, 依照模拟结果和实际的加工条件, 设计和制备了周期为891 μm, 绝缘沟道为25 μm, 振幅为50 μm, 粗调数为5的九路Vernier阳极。