时间分辨像增强相机

在科技的不断进步与创新中，像增强相机已成为众多科学问题探索过程中不可或缺的工具。像增强相机是一种利用像增强器对弱信号进行增益放大的特殊相机，它可以极大提高相机的成像灵敏度。但是由于像增强器中起增益放大作用的微通道板（MCP）会极大的限制相机的分辨率，因此，目前市面上的像增强相机空间分辨率一般低于30lp/mm，这大大限制了很多有着较高分辨率要求的应用场景。今天，我们自豪地宣布，中智科仪的最新力作——TRC428高分辨率像增强相机即将面世。这款革命性的产品将带来卓越的空间分辨率、出色的性能表现以及无与伦比的可靠性，将满足您对高分辨率需求的一切期待。TRC428 高分辨率像增强相机搭载了全新的图像传感器芯片，分辨率高达3200x2200，单像素尺寸4.5um，为用户提供了前所未有的图像质量和分辨率，同时，我们集成了新一代的高空间分辨率、高量子效率、低噪声像增强器，且成功突破了高分辨率CMOS相机与增强器实现光纤锥耦合工艺的技术壁垒。这一突破性的技术提升使得相机的整机空间分辨率高达45lp/mm以上，重新定义了像增强型相机成像分辨率的标准。TRC428高分辨率像增强相机具有特点及优势：高空间分辨率：TRC428高分辨率像增强相机采用新一代高空间分辨率像增强器，以及3200x2200高分辨率CMOS图像传感器，利用4um芯径光纤面板将二者进行光学耦合，借助先进的耦合工艺，整机空间分辨率优于40lp/mm，为用户提供了极致的图像分辨率，使您能够捕捉到每一个细微的细节。TRC411相机（左）和TRC428相机（右）空间分辨率测试对比超短光学快门：TRC428高分辨率像增强相机可实现低至500ps的光学快门，可以以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声；针对瞬态吸收荧光光谱应用场景，可以实现更高的时间分辨率；针对门控拉曼光谱采集应用场景，抑制荧光和背景光能力更加卓越。特别适用于各种时间分辨成像以及超快过程探测。500ps光学门宽高时间同步精度：TRC428高分辨率像增强相机内置10皮秒精度的3通道同步时序控制器，可以进行相机与外部设备的高精度延迟和同步，无需额外的同步触发设备即可轻松实现多台设备之间的精准同步控制；各个通道可独立控制同步信号脉宽及延时，延迟精度高达10皮秒，通道间同步时间抖动小于35ps（RMS）。10ps延时精度高快门重复频率：TRC428高分辨率像增强相机快门工作重复频率可高达500kHz，可以更高效的实现高频信号采集；且支持片上积分（IOC）模式，一次CMOS曝光时间内可以支持更多次的“Burst”累积，这在可重复的弱信号采集应用中可有效提高信噪比。在激光诱导荧光光谱采集应用场景下，可以同步更高频率的激发光源，提高光谱信号激发和采集效率；在量子关联成像应用场景下，更高的快门工作频率可以适应更高的光子发生率，从而获取更丰富的成像信息，更快实现关联成像。片上积分（IOC）模式工作示意图方便易用的软件：TRC428高分辨率像增强相机的控制与操作可以完全兼容SmartCapture软件，功能丰富，方便易操作。SmartCapture软件界面及功能特点高分辨率像增强相机的以上特点和优势除了在成像应用领域为用户带来革命性的应用体验外，在门控光谱仪系统中也将发挥重要的优势。众所周知，探测器的分辨率对于光谱采集系统的光谱分辨率至关重要，但是在一些与时间分辨相关的光谱以及极弱单光子光谱信号采集系统中，单色仪需要配置具有门控功能的像增强相机做为探测器，从而实现时间分辨光谱和极弱单光子光谱信号采集测量。但是，像增强相机的低空间分辨率会极大限制光谱分辨率，相对于普通探测器，配置门控型像增强相机做为探测器的光谱仪分辨率将会降低约1.5倍左右（经验值）。高分辨率像增强相机的问世将在一定程度上解决这一问题。我们将TRC428高分辨率像增强相机与MS5204i光谱仪集成，形成一套纳秒门控光谱仪，利用这套门纳秒控光谱仪进行了极限光谱分辨率测试，并与集成了标准像增强相机的纳秒门控光谱仪测试结果进行了对比：结果如下：TRC428高分辨像增强相机，分辨率26.73pm@546.075nmTRC411像增强相机，分辨率35.64pm@546.075nm集成了TRC428高分辨率像增强相机的纳秒门控光谱仪，极限光谱分辨率可达26.73pm；但集成TRC411标准像增强相机的纳秒门控光谱仪，采用同样的光谱仪设置，对同样的光谱信号进行采集，能够达到的极限光谱分辨率仅为35.64pm。其他更多波长的光谱分辨率对比如下所示（不同波长对应的增益有所不同）：波长（nm）253.652365.015404.656435.833546.075579.066TRC411相机35.10pm40.50pm39.96pm32.40pm35.64pm39.69pmTRC428相机24.57pm23.63pm23.31pm25.92pm26.73pm28.35pm由以上对比数据可以看出，使用TRC428高分辨率像增强相机做为探测器的纳秒门控光谱仪，相对于使用TRC411相机做为探测器的纳秒门控光谱仪，在光谱分辨率上有30%以上的提升。配合更长焦距的单色仪，预期光谱分辨率可提升至10pm以内，可应用于等离子光谱以及同位素光谱分析等超高精度要求的应用场景。TRC428高分辨率像增强相机的推出标志着中智科仪对高分辨率成像技术的持续投入和创新。我们相信，TRC428将成为像增强相机行业内的新标杆，为用户提供前所未有的视觉体验和应用价值。同时，TRC428高分辨率像增强相机的问世也证实了像增强相机的空间分辨率有进一步提升的空间，中智科仪将继续努力，持续研发，推动像增强相机的空间分辨率进一步提升。

1、应用背景 　　等离子体是区别于固体、液体和气体的第四种物质聚集状态。在高能环境下，原子的外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，失去电子的原子变成带正电的离子，这个过程叫电离，这种电离气体就是等离子体，通常由带电离子、自由电子、基态/激发态分子原子和自由基等粒子组成。等离子体在自然界中广泛存在，如太阳、恒星、星际物质、闪电等都是等离子体。 　　激光诱导等离子体(Laser-Induced Plasma, LIP)是通过激光与物质相互作用产生的一种高温、高密度的等离子体状态物质。当高能量的激光脉冲照射到物体表面时，会使得物质迅速加热并部分或完全电离，形成等离子体。伴随形成的等离子体羽流的演化过程具有超高速、持续时间短(一般几百纳秒)、强自发光背景和小空间尺度的特点，这使得其观测变得具有挑战性。 　　本次实验采用中智科仪的逐光IsCMOS像增强相机(TRC411)，拍摄了激光诱导等离子体羽流的形貌演化过程。基于逐光IsCMOS像增强相机的纳秒级快门门控、高精度的时序同步技术和变延迟序列推扫功能，记录了等离子体羽流的完整演化过程。 2、实验方案 　　实验设备： 　　中智科仪逐光IsCMOS像增强相机，型号：TRC411-S-HQB-F F2UV100大通量紫外镜头。 　　实验室所用激光器为镭宝Dawa-200灯泵浦电光调Q纳秒Nd:YAG激光器，波长1064nm，重复频率1-20Hz。采用激光器Q-out输出触发TRC411相机的方式，对相机Gate通道进行变延迟序列推扫，寻找相机与激光器的同步时刻。 　　实验流程： 　　1.实验材料被激发的等离子体羽发光在200nm-500nm左右，因此在镜头前端安装一个430nm的带通滤光片，屏蔽掉1064nm的激发激光和其他杂散光。需要注意观察成像画面中是否有强反射材料，比如样品台的光滑金属反光面或螺丝帽等，为了防止这些强烈反射面的反射光对相机造成损害，需要使用黑色电工胶带将它们遮挡或覆盖。 　　2. 激光器的Q-out触发输出接到示波器，测得同步输出的TTL信号电平为5V@1MΩ，频率与激光输出频率匹配，均为5Hz。TRC411相机可接受的最大外触发信号电平为5V，保守起见，在触发线末端加入了6dB衰减器，将激光器Q-out输出电平减半。 　　3. 由于等离子体的发光强度较大，无法确定所使用的滤光片的衰减倍率是否足够，因此首先将镜头光圈调至最小，设置增益为1800，Gate时间13ns(对应光学门宽3ns)。 　　软件参数设置如下表： 　　4. 对Gate通道进行变延迟序列扫描，最终找到Gate延时起止时刻在700ns至1100ns之间时，可以捕获到等离子体的发光信号。 　　软件参数设置界面： 3、实验结果 　　序列采集SEQ曲线： 　　根据曲线可以看到实验材料被激发的等离子体发光持续时间约为400ns。 　　高功率纳秒脉冲激光激发产生的完整等离子体羽形貌演变过程： 4、结论 　　中智科仪逐光IsCMOS像增强相机具有短至纳秒级的快门，超短的门控可以屏蔽背景噪声，提高信噪比。相机内置的高精度时序控制器可以确保相机与脉冲激光器的同步工作，在确定的延迟捕获等离子体信号。相机的变延迟序列扫描功能可以使相机快速拍摄不同延迟时刻的等离子体信号，获得完整的等离子体演化过程。诸多优势展示了TRC411相机在等离子体诊断方面的重要应用价值。 　　免责说明：中智科仪(北京)科技有限公司公众号发布的所有内容，包括文字和图片，主要基于授权内容或网络公开资料整理，仅供参考。所有内容的版权归原作者所有。若有内容侵犯了您的权利，请联系我们，我们将及时处理。 5、解决方案 　　由中智科仪自主研发生产的逐光IsCMOS像增强相机采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒 全分辨率帧速高达98幅/秒 内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，完全适合时间分辨快速等离子现象。 　　1. 500皮秒光学快门 　　以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声。 　　2.超高采样频率 　　逐光IsCMOS相机目前全分辨率下可达98帧，提供高速数据采集速率，同时可提供实验效率。此外设置使用其中16行的区域下，可以达到1300帧以上。 　　3.精准的时序控制 　　逐光IsCMOS像增强相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10皮秒，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。 　　4. 创新“零噪声”技术 　　得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。

清华大学电机工程与应用电子技术系付洋洋老师团队利用逐光IsCMOS像增强相机进行大气压介质阻挡放电等离子体在空气消毒方面的应用研究，相关成果近期以“Air disinfection by nanosecond pulsed DBD plasma”为题发表在“Journal of Hazardous Materials”期刊上。 　　1、研究背景 　　在公共场所的空气消毒应用中，大气压介质阻挡放电(dielectric barrier discharge，DBD)等离子体是一种新兴且有前景的技术。放电电源是其中的关键因素，但其对等离子体空气消毒性能的影响尚不清楚。 　　作者采用纳秒脉冲电源驱动一种新型光栅式DBD阵列,实现快速单次通过空气消毒。揭示了脉冲参数和环境因素对放电特性和单次细菌灭活效率的影响。为纳秒脉冲DBD的放电特性和空气消毒研究提供了基础认知。 　　文中给出了两个可能的评估参数： 　　1. 特定输入能量(Specific Input Energy，SIE)，定义为单位体积的气体接受到的放电能量。 　　2. Z值，定义为使微生物存活率下降一个数量级所需的特定输入能量SIE。Z值越小，意味着消灭同样数量的微生物所需的能量越小。 　　2、实验装置和材料 　　实验装置部分是用于测试DBD等离子体对细菌气溶胶单次通过灭活效率的通风管道系统，以下为该系统各部分的说明。 　　1. 通风管道：在气溶胶入口前增加了一个可调节的管道加热器(0-1200 W)，用以瞬间加热入口空气，探究在仅加热或“加热+等离子体”条件下气流温度对等离子体放电特性和细菌气溶胶存活特性的影响。 　　2. 温度和湿度监测：在加热器出口后安装了温度计，同时在等离子体反应器前后放置了两个温湿度计，用以监测气流的温度和相对湿度。 　　3. 气流速度：使用风速计测量反应器前的空气面速度(vin)，在实验中固定为1米/秒，总流量为40立方米/小时。 　　4. DBD反应器：建立了一个垂直型光栅式DBD反应器，其电极被石英管包围，交替连接到高压和地线产生等离子体阵列。反应器内部空气通过尺寸为85×85平方毫米，有16个空气间隙。 　　5. 电源激发：DBD由单极纳秒脉冲源或交流电源激发，测量了电压和电流波形。 　　6. 放电功率和臭氧浓度：计算了脉冲DBD的平均放电功率，并使用臭氧分析仪测量了臭氧浓度。 　　7. 光学诊断：使用光谱仪(MX2500+, 海洋光学)记录等离子体的光发射光谱，并使用逐光IsCMOS像增强相机(TRC411-H20-U，中智科仪)和变焦镜头对等离子体进行了成像，以探测放电区域形成的激发的物质种类，确定放电均匀性。 　　图1 光栅式DBD反应器测试系统示意图 　　实验装置的设计允许研究者控制和监测影响DBD等离子体放电和细菌灭活效率的关键参数，如气流速度、温度、湿度和电源类型。 　　3、实验结果和讨论 　　为了比较由脉冲源驱动的DBD与交流(AC)源的电气参数和光发射信号，保持了气流速率、湿度和放电功率尽可能相同。脉冲电压的基本参数包括脉冲上升时间(tr)、宽度(tw)、下降时间(tf)、频率(f)和电压幅度(Vp)，而交流电压包括电压频率(f)和幅度(Vp)。 　　将电压频率固定在5 kHz，vin为1 m/s，RH在15-17%。脉冲参数如下：tr = tf = 50 ns，tw = 100 ns，Vp约为14 kV。为了保持与脉冲源相当的放电功率34-35 W，将交流源的电压幅度调整为10.75 kV。 　　图2 　　图2 共对7个气隙进行了成像，并给出了第3个气隙的线发射密度。(a)脉冲源和(b)交流源的放电图像比较，交流源和脉冲源的线平均强度分别为135.6和175.5 a.u.(相对单位) 。注意：气隙旁边的光是由透明石英管的光折射和反射产生的。对于两种光源，曝光时间固定为200 μs(一个周期)。以上等离子体图像由中智科仪IsCMOS相机拍摄。 　　为了可视化放电的空间分布，应用了短曝光成像。曝光时间固定在200 μs，对应一个周期，成像区域为45 × 30.5 平方毫米，包括总共七个空气间隙。如图2(a)所示，对于交流DBD，放电丝非常明显，几乎均匀分布在空气间隙中，间隔约1 mm。与此同时，脉冲DBD的放电更加均匀，但整体发射强度似乎更弱(图2(b))。 　　以第三个间隙为例，图3显示了间隙中心线和线平均强度的发射强度。尽管单个放电丝的最大强度更高，但对于交流源，放电丝更稀疏。结果，平均发射强度比脉冲源低22.7%，这与光谱仪测量结果一致。 　　4、结论 　　研究发现，通过提高电压幅度、缩短脉冲上升时间以及增加气流湿度和温度，可以增强光栅式DBD的单脉冲放电能量。相反，提高频率则会降低放电能量。这些发现与先前关于脉冲放电的报告一致。比较了脉冲源和交流源消灭微生物的性能。脉冲源在低频率(1 kHz)下产生的Z值低于交流源，但在某些情况下略高。这表明脉冲源在特定条件下可能更优。建议将特定输入能量(SIE)作为基于等离子体的空气消毒的剂量参数，而Z值主要取决于湿度。该研究提供了纳秒脉冲DBD等离子体空气消毒特性的基础认识，为供暖、通风和空调系统中的高效节能空气消毒提供了理论和工程基础。 　　 　　免责说明：中智科仪(北京)科技有限公司公众号发布的所有内容，包括文字和图片，主要基于授权内容或网络公开资料整理，仅供参考。所有内容的版权归原作者所有。若有内容侵犯了您的权利，请联系我们，我们将及时处理。 　　5、解决方案 　　由中智科仪自主研发生产的逐光IsCMOS像增强相机采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒 全分辨率帧速高达98幅/秒 内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，完全适合时间分辨快速等离子现象。 　　1. 500皮秒光学快门 　　以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声。 　　2.超高采样频率 　　逐光IsCMOS相机目前全分辨率下可达98帧，提供高速数据采集速率，同时可提供实验效率。此外设置使用其中16行的区域下，可以达到1300帧以上。 　　3.精准的时序控制 　　逐光IsCMOS像增强相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10皮秒，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。 　　4. 创新“零噪声”技术 　　得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。