闪烁体表面状态将影响其荧光出射强度和空间分辨等闪烁性能, 进而影响辐射探测系统的测试结果。本文通过理论模拟和实验研究等方式, 系统表征了LYSO∶Ce闪烁体被射线激发时在4种表面状态下(双面抛光、仅出射面抛光、仅入射面抛光和双面均不抛光)的荧光强度空间分布, 以及闪烁体厚度对其空间分辨的影响规律。结果表明, 4种状态在法线方向0°的荧光出射相对强度为0.49∶0.64∶0.89∶1, 荧光强度随出射角度增加而逐渐减小。随着表面抛光度的降低, 闪烁体出射荧光空间分布更均匀。闪烁体厚度为0.3、1.0和5.0 mm时, 双面抛光的空间分辨分别为1.70、1.36和1.12 lp/mm, 单面抛光-出射面抛光的空间分辨为1.5、1.2和1.0 lp/mm, 空间分辨随闪烁体厚度增加而降低, 并且双面抛光时空间分辨比单面抛光提升了约12%。

高帧频CMOS图像传感器具有集成度高、帧频高、功耗低、抗干扰抗辐照能力强等特性，在科学实验中应用广泛。为提高外同步触发瞬态成像模式下的成像性能，首先介绍了基于高帧频CIS(5T像素，超大快门)的瞬态成像系统构成及其工作模式；从像素结构出发，对该款CIS在不同工作模式下的成像性能进行了理论分析；搭建了基于EMVA1288的标准化测试平台，对瞬态工作模式下的多项关键性能指标进行了测试，并与稳态工作模式下的性能进行了对比。分析结果表明：与稳态工作模式相比，瞬态成像模式下图像传感器具有更大的暗本底和固定模式噪声，但传感器的时序噪声、光响应非均匀性优于稳态工作模式，具有更高的信噪比和动态范围，与理论分析基本吻合。测试分析结果可用于指导科学成像系统设计与性能优化。

为了测量脉冲时间宽度小于20 ns时的γ射线时间分辨图像, 发展了新型无机闪烁体Yb: YAG, 并实验测量了晶体的发光衰减时间、X射线激发发光光谱、相对发光效率和空间分辨等性能, 研究了Yb: YAG晶体的发光性能。实验表明, Yb: YAG发光有三种衰减成分, 快成分衰减常数为1.2 ns, 慢成分衰减常数与射线种类有关; X射线激发发光光谱在250~800 nm范围, 有三个发光峰, 分别为320, 380和500 nm, 且320 nm处强度最大; 相对发光效率为1900 ph/MeV; 使用钨分辨卡测得Yb: YAG空间分辨能力为2 lp/m, 使用刀口法测得空间调制传递函数为0.5时的频率为0.7 lp/mm。结果说明Yb: YAG晶体性能能够满足所需测量要求。

在辐射成像系统测量辐射源边界中, 有闪烁体时间弥散效应得到的边界值与没有闪烁体时的真实边界值存在差别, 影响辐射源尺寸变化计算。研究构建了一类辐射源强时间宽度、半径扩散速率与边界相对强度不同的辐射源, 应用卷积和图像强度梯度法, 对选用BC408, LaBr3和LSO闪烁体得到的边界与真实边界的偏差进行了数值模拟计算。结果表明, 拍摄时间为20 ns时, 由BC408闪烁体得到的边界值偏差最小; 若偏差小于1 mm认为闪烁体适合测量, BC408, LaBr3和LSO测量的强度时间宽度最小值分别为33 ns, 133 ns和266 ns; 拍摄全积分图像时偏差大小不受闪烁体不同的影响; 最终得出的偏差计算公式较好地反映了真实偏差的变化趋势。

粒子场离轴滤波全息技术是减少背景噪声影响、改善粒子场再现像质量的有效方法。滤波器尺寸与再现粒子像密切相关，合适的滤波器尺寸有利于粒子的识别和测量。解析分析了高通滤波器尺寸、4F系统前焦距及粒径对圆形粒子离轴滤波全息再现像强度分布的影响规律，数值模拟了不同尺寸的高通滤波器对相同粒径粒子全息再现像强度分布的影响，并开展了离轴滤波全息实验。研究结果表明，高通滤波器可以有效提高粒子图像的对比度；粒子尺寸不变时，滤波器尺寸越小或4F系统前焦距越大，再现粒子像强度分布越均匀，同时边界梯度越大；滤波器尺寸和4F系统前焦距恒定时，粒子越大，再现粒子像内部逐渐呈现明暗相间变化的圆环，同时粒子边界越来越清晰。

针对CCD图像输出时间长影响其帧频率的问题, 提出了一种基于普通CCD实现超高帧频成像的方法.采用掩膜覆盖CCD的光敏区, 建立图像的片上存储空间, 消除CCD电荷转移输出占用过多时间的影响, 可以使普通CCD的帧频达到每秒百万帧频以上.介绍了不同掩膜实现方案的优缺点, 讨论了掩膜图像的恢复方法, 采用条状孔掩膜方式建立了基于普通CCD的每秒百万帧高帧频成像系统样机, 利用氙灯对样机性能进行验证, 获得了14幅79×79像素的氙灯发光过程图像, 样机帧频率达到了每秒200万帧的超高速度.

一种基于异步时序驱动和Binning技术的高帧频成像技术在帧转移CCD相机上得到成功应用。为了抑制该CCD相机成像时产生的拖尾效应, 基于该相机的高帧频连续成像原理, 理论上分析了图像获取过程中拖尾产生的原因, 给出了一套完整的消除拖尾的数值解析算法。该算法充分考虑了图像亮度变化对拖尾形成产生的影响, 并对此进行了修正, 已在异步Binning CCD相机上进行了实验验证。利用相机以40 000帧每秒的帧频获取4幅连续图像进行实验, 实验结果表明, 该算法可有效去除每幅图像的拖尾噪声, 而且消除拖尾噪声后的图像区域的灰度方差得到明显降低, 异步Binning CCD相机的成像质量得以提高。上述结果表明算法适用于高帧频相机的连续成像。

提出了基于普通CCD的掩模式成像技术来大幅提高CCD的图像获取速度, 实现百万帧/秒的CCD时序驱动方法。介绍了加掩模后CCD的工作过程, 利用掩模把普通CCD的光敏区划分为带有存储区的像素阵列, 实现了普通CCD的片上存储功能。分析了利用普通CCD实现百万帧/秒超高帧频的时序驱动方法, 掩模形状决定了帧速, 帧数和图像的分辨率。对系统的时序结构、电荷转移方式和驱动电路进行了说明, 通过特殊驱动电路和图像处理软件设计实现了百万帧/秒的超高帧频。最后, 对驱动时序进行了仿真和实验验证。采用条状孔阵列掩模, 基于普通CCD图像传感器进行了百万帧/秒工作速度的验证, 获得了14幅79 pixel ×79 pixel的图像, 其帧频达到200×104 frame/s。文章所述技术具有一定的通用性。

为了评估基于瞬态光栅的全光高速相机系统中激发光强与图像信号之间的对应关系，验证基于磷化铟（InP）建立该相机的可行性。针对InP材料从理论上分析了从光子入射激发载流子，到载流子影响折射率，再到折射率影响衍射效率过程中各物理量值之间的关系；并建立了基于衍射光收集的图像探测系统获取InP内部的瞬态光栅分布图像。理论结果给出了针对InP材料的激发光强与载流子浓度的关系，探针激光为 1064 nm时载流子浓度与折射率之间的关系，以及瞬态光栅为矩形光栅时折射率与衍射效率之间的关系，特别指出在基于InP和1064 nm探针激光的高速相机系统中，若时间分辨为1 ps量级，对于532 nm激发光，系统的灵敏度为1.3×105 W·cm-2量级。实验结果证明了基于InP和1064 nm探针光可以建立全光高速相机系统，并根据所获得图像得出系统的空间分辨好于5.04 lp/mm。