红外超高速成像测量仪

近日，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室曾和平教授与黄坤研究员团队在中红外光谱成像方面取得进展，结合非线性上转换成像与可调谐声光滤波技术，有效提升了空间-波长三维图谱信息的采集速度，实现了超灵敏、大视场、高帧率的中红外高光谱视频成像，可为化学瞬态过程分析、生物原位成像检测、医学实时光谱影像及燃烧场快速诊断等应用提供有力支撑。相关研究成果以“Wide-field mid-infrared hyperspectral imaging beyond video rate”为题发表于Nature Communications期刊。华东师范大学为论文的第一完成单位，博士生方迦南为论文第一作者，曾和平教授和黄坤研究员为共同通讯作者。图1 曾和平教授与黄坤研究员团队在Nature Communications 刊发研究成果高光谱成像是将成像技术与光谱技术相结合的多维信息获取手段，可在百个甚至更多谱段对目标进行非侵入式成像，生成包含空间和光谱信息的图谱数据立方。因此，高光谱图像具有“图谱合一”的重要特征，每个像素都对应一组光谱信息，所含的丰富信息能够对样品的化学成分、含量与分布进行测定与表征。特别地，中红外波段位于分子的指纹光谱区，包含许多官能团的吸收峰，实现该波段的高光谱成像能够对待测目标进行无标记精确识别。因此，中红外高光谱成像技术已被广泛应用于痕量分析、环境监测、生物医药、材料科学等领域。图2 中红外高速高光谱成像原理概念图然而，兼具多谱段与大画幅的红外高光谱成像系统长期以来局限于观测静态样品或低速运动场景，难以用于快速目标测量或动态过程捕捉。一方面，高光谱成像所生成的图谱数据提供了丰富的目标信息，有助于准确分析与识别样品；另一方面，庞大的数据采集量极大限制了高光谱成像速率。例如，传统摆扫式和推扫式高光谱成像系统主要借助光栅、棱镜等器件实现信号色散分光，在空间信息获取上往往需要依赖点扫描或线扫描来实现二维图像覆盖。为了克服冗长的机械扫描，全幅式光谱成像技术应运而生，其采用可调谐窄带光源（如光参量振荡器、量子级联激光器）或波长可调滤波器（如声光、液晶滤波器）进行光谱扫描，有效提升了多像素图像的采集效率。即便如此，中红外高光谱成像速度仍很大程度上受限于该波段焦平面探测阵列的工作帧频（尤其对于大面阵多像素相机），单色光谱图像采集帧率的典型值为50 Hz @ 512×512像素。相应地，采集百个波长通道以上的高光谱成像往往需要数秒甚至更长时间，距离可实时观测的视频帧率还有量级上的差距。当前，实现大视场、多波段、高帧频的中红外高光谱成像仍颇具挑战，需要同时实现高速光谱扫描与高速图像采集。图3 中红外高速高光谱成像装置图为此，研究团队创新结合非线性广角成像技术与高速声光滤波技术，能够同时提升红外图像采集速率与红外光谱切换速率，克服了传统方案在图谱信息获取上的短板，实现了高达百赫兹的三维图谱刷新率，在同等谱段数与像素规模下，比此前记录提升了至少两个数量级。具体地，研究人员采用特殊设计的啁啾极化铌酸锂晶体，实现宽波段非线性光学和频，将超连续谱中红外信号一次性转换至可见光波段。该过程具有大视场空间映射和高保真度光谱转换的特点，可在空间和光谱维度上保留完整的目标图谱信息。为了实现高速率、高精度的波长调控，研究人员采用声光可调滤波技术，获得了微秒级的波长切换速度与纳米级的窄带滤波带宽。滤波后的单色图像由高性能硅基相机捕获，规避了现有红外焦平面探测阵列在灵敏度、像素数、帧率等方面的不足，从而实现大视场、多像素、高帧频的红外图像采集。图4 高帧频中红外高光谱视频成像（A）实验测定的苯与乙醇红外吸收光谱。（B）每个高光谱数据立方包含100个精细谱段，单色图像拍摄时间仅需100 μs。(C-D) 选取不同的光谱通道，可以方便区分显示不同物质成分。（E）对两种液体吸收峰对应的单色图进行RGB色彩合成，可以清晰展示不同介质扩散与融合的动态过程。实验中，所搭建的高光谱成像系统工作波长为2.4-4.1 μm，涵盖多种CH/OH化学键的红外伸缩与振动吸收谱线，是有机物材料鉴别的重要谱段。为了展示高光谱成像在物质鉴别与动态场景中的应用，研究人员选用了乙醇和苯两种化学样品，他们在肉眼下观察均为无色透明，而通过高光谱成像可测量得到迥异红外特征光谱（图4A），利用独特的分子选择性即可实现样品成分的有效甄别。在高光谱三维数据采集中，单波长大视场成像（近百万像素画幅）的积分时间仅为100 μs，获取100个谱段的图谱立方数据则仅需10 ms（图4B），从而实现100 Hz水平的大视场高光谱影像。与传统机械式波长调谐方式不同，声光可调滤波器不受机械惯性限制，可对光谱进行快速动态调控，实现连续不间断的循环波长扫描，为实时光谱视频成像提供了可能。如图4C-4E所示，可根据样品吸收光谱特征，选取多幅单色灰度图像进行RGB填色合成，实现对样品化学差异与浓度分布更直观的可视化。值得一提的是，所发展的上转换光谱成像技术得益于非线性光学混频过程中所需的相位匹配条件，使得不同波长的单色上转换图像具有不同的空间缩放因子，从而形成波长-空间耦合的独特成像效果，结合特定信息编码和计算成像算法，可以从单幅灰度图像恢复出三维图谱信息，进而发展出单发快照式红外高光谱成像，为实现超高速光谱摄影提供了有效途径。此外，该技术可以扩展到长波红外或太赫兹波段，以满足该谱段对于高速光谱成像的迫切需求，可为材料、化学、生物、医学等领域提供具有吸引力的光谱影像分析手段。近年来，曾和平教授与黄坤研究员课题组在中红外多维成像领域开展了系列创新研究，先后发展了中红外非线性广角成像 [Nature Comm. 13, 1077 (2022)]、中红外单光子单像素成像[Nature Comm. 14, 1073 (2023)]、以及中红外单光子三维成像 [Light Sci. Appl. 12, 144 (2023)]等。相关工作得到了科技部、基金委、上海市、重庆市与华东师大的资助。论文链接：https://doi.org/10 . 1038/s41467-024-46274-z

一、项目基本情况1.项目编号：ZTXY-2023-H21768项目名称：北京理工大学纳米光谱与成像探测系统采购预算金额：700.000000 万元（人民币）最高限价（如有）：700.000000 万元（人民币）采购需求：名称数量单位简要技术要求是否接受进口产品北京理工大学纳米光谱与成像探测系统1套采用散射式近场光学（s-SNOM）设计，近场光学空间分辨率与入射光波长无关，在可见光和红外光波段范围内均能够实现光学超分辨成像，光学空间分辨率≤10nm；是 合同履行期限：合同签订后12个月内交货并安装完毕。本项目( 不接受 )联合体投标。2.项目编号：ZTXY-2023-H21769项目名称：北京理工大学超高速波长调制光学测量系统采购预算金额：765.000000 万元（人民币）最高限价（如有）：765.000000 万元（人民币）采购需求：名称数量单位简要技术要求是否接受进口产品北京理工大学超高速波长调制光学测量系统1套包括4个模块即激光器主机模块、调频模块、锁频模块以及测量分析模块，需保证模块间的互相协作及集成整合，可针对爆轰反应流场的多物理参数是 合同履行期限：合同签订后6个月内交货并安装完毕。本项目( 不接受 )联合体投标。二、获取招标文件时间：2023年12月04日 至 2023年12月11日，每天上午8:30至12:00，下午12:00至16:30。（北京时间，法定节假日除外）地点：北京市朝阳区南磨房路37号华腾北搪商务大厦11层1103室（或邮件方式）。方式：现场报名或邮件方式。邮件方式：在本项目招标文件发售截止时间前，将支付标书款凭证发至邮箱baoming_ztxy100@163.com。邮件主题“【北京理工大学超高速波长调制光学测量系统采购】-XXX公司”。邮件内容“【项目信息（项目名称、项目编号），投标人信息（公司全称、统一信用代码），联系人信息（姓名、手机号、电子邮箱）】”以标书款到账时间为准，逾期汇款报名无效（未及时发送报名信息导致的后果，投标人自行承担）。售价：￥500.0 元，本公告包含的招标文件售价总和三、对本次招标提出询问，请按以下方式联系。1.采购人信息名 称：北京理工大学　　　　　地址：北京市海淀区中关村南大街5号　　　　　　　　联系方式：陈老师，010-68912384　　　　　　2.采购代理机构信息名 称：中天信远国际招投标咨询(北京)有限公司　　　　　　　　　　　　地　址：北京市朝阳区南磨房路37号华腾北搪商务大厦11层1103室　　　　　　　　　　　　联系方式：王文姣、王师安、于海龙、成志凯、张静、鲁智慧，010-51908151 　　　　　　　　　　　　3.项目联系方式项目联系人：王师安电　话：　　010-51908151

前言对物体的运动和演化过程进行成像分析是探究物理过程和物理规律的最主要手段。由于人眼能够分辨的最高帧速（即连续图像的刷新速率）约为60帧每秒，最短曝光时间约为十几个毫秒量级，无法有效对一些快速过程进行观察分析。快速过程持续时间极短，且往往不可重复，因此对快速过程的研究需要用到专业的成像工具——高速相机来对快速过程进行记录，再以人眼能够分辨的帧速进行播放，从而实现对一些快速过程的研究。随着高速相机技术的发展，目前已能够实现高达百万帧每秒的图像采集，时间分辨率也达到了亚微秒量级，利用高速相机进行绝大部分快速过程的研究和分析已经“不在话下”。但是，还有一类超高速过程，它的完整持续时间仅为纳秒至数微秒量级，这就需要用到一种新型的高速成像工具——超高速分幅相机。图1 相机成像采集帧速对比产品研发背景超高速分幅相机成像技术是目前进行超高速运动物体和瞬时变化过程研究的唯一成像手段，它的发明一开始主要是为了军事科学领域的应用，例如对炸药爆炸过程、核反应过程进行诊断成像。在过去的几十年里，超高速分幅相机的应用领域局限于某些特定的军工领域，市场需求面较窄，因此，市场上鲜有商品化的超高速分幅相机，为数不多的几家国外供应商也因为这类产品特殊的应用场景，而对中国实施严格禁运。国内的少数几家科研单位能够自己开发研制用于科学实验验证的超高速分幅相机，一方面没有完全实现商业化，另一方面也没有足够的生产能力，因此主要以自用为主。随着近年来科技的进步，各学科的发展都很迅速，各行业各应用领域对超高速成像也有了广泛的需求。生物医学、燃烧学、空气动力学、材料科学、核科学、能源科学等多种学科方向都对超高速成像有着广泛的需求。例如：在能源科学领域：随着能源需求越来越大，国家对新型能源的开发需求日渐增大，核聚变是一种高效且清洁的能源来源，核聚变是目前彻底解决“能源危机”最可行的方案。核聚变目前两个比较可行的技术方案分别是惯性约束核聚变和磁约束核聚变，在这两种核聚变系统中，都需要进行等离子体成像诊断。利用超高速分幅相机对等离子体发展演化过程进高速成像，可以为核聚变研究提供关键的实时观测和数据支持，帮助科学家理解和控制核聚变反应过程，推动核聚变能源技术的发展。在航空航天领域：高速流场测试研究是一项关键的工作，旨在研究和理解空气动力学现象对飞行器的影响，随着航空航天发动机技术的发展，流场速度已从亚音速提高到了超音速乃至超高音速，传统的流场诊断成像方式已难以实现对超高音速流场的测试，超高速分幅相机能够实现流场的超高速成像，可用于超高速流场的变化规律分析和研究。在生物医学领域：研究药物的靶向治疗是生物医学研究中一个非常重要的研究方向。在外界激励源作用下，药物颗粒的运动速度很高，要进行药物颗粒的运动轨迹随激励源的变化关系研究，就需要对药物颗粒运动进行超高速成像从而绘制出药物分子的运动轨迹图。超高速分幅相机可以对药物颗粒的运动过程进行高速成像，从而对药物的靶向治疗控制技术研究研究提供依据。超高速成像技术的应用范围已经由早期比较单一的军事科学领域迅速扩展至能源科学、生物医学、航空航天等关系到民生的各个应用方向。一边是市场需求的日渐旺盛，但另一边是该类产品的进口和贸易却有严格的出口许可限制，特别是在一些核能、军事等敏感行业应用领域严格禁运。为了响应这些应用领域的迫切需求，开发一款参数指标优良、性能可靠、经济成本低的国产化超高速分幅相机十分重要。同时，得益于国家近年来对国产设备仪器的支持力度持续加大，在很多应用领域均鼓励优先选择国产设备，这些国内政策支持和国际贸易政策限制方面的因素，为国产超高速分幅相机产品快速发展提供了基础。产品开发历程超高速分幅相机的工作过程十分复杂，它的基本原理是将一个完整的快速过程利用分光系统在空间上分开，并在时间上分割成许多时间段，相机内部集成的多台相机通过精准的时间延迟控制实现对每个时间段的精准拍摄，从而捕捉到高速变化过程的细节。因此，超高速分幅相机的开发涉及到光学、机械、电气、控制等多种技术的融合。图2 超高速分幅相机原理示意图中智科仪结合自身特点和优势，以及在时间分辨超快成像领域多年的技术积累，组建了一支专业高效的技术团队，持续对超高速分幅相机关键技术进行开发和攻关，团队由经验丰富的光学工程师、机械工程师、电学工程师、工艺工程师组成，分别针对超高速分幅相机的几个核心关键技术问题进行持续研发和迭代优化，致力于将超高速分幅相机产品打造成技术指标先进、可靠性高、操作简单方便的实用化科研仪器，为国内科学家的研究提供得力的实验工具。在长达两年的产品研制过程中，我们先后攻克了超高速分幅相机四大核心技术难题：1、创新性的设计开发了基于孔径分光方案的高精度分幅成像系统，将超高速分幅相机的使用波段扩展至紫外波段，提升了各画幅的强度一致性，彻底解决了传统超高速分幅相机“鬼像”等成像问题；2、开发并优化了相机纳秒门控驱动技术，将超高速分幅相机的时间分辨率提升到了500ps；3、像增强器和图像采集相机之间采用了全新技术的光纤面板耦合方式，并优化了光学耦合工艺，使得图像的均匀性、分辨率等光学指标有了很大提升；4、设计开发了板级多通道同步时序控制器，用于各个通道各画幅间的精准时间同步，同步精度10ps，延迟分辨率10ps，通道间时间抖动小于35ps，提升了超高速分幅相机各画幅之间的时间同步精度，此外，板级同步时序控制器的采用，使得整套超高速分幅相机更加紧凑，将超高速分幅相机的体积和尺寸降低了近一半。我们还在广泛听取客户反馈意见的基础上对软件进行了10余个版本的迭代升级，并增加了许多实用功能，包括简易、精准、可视化的时序控制调节功能、三维视图功能、参数测量功能等，进一步提升了软件的易用性和可操作性。图3 超高速分幅相机软件可视化的时序控制调节功能经过长达两年时间的设计和研发，以及对产品的多次迭代和锤炼，目前，中智科仪已成功开发出最多八个画幅通道的超高速分幅相机，单帧最短曝光时间≤500ns，最小帧间隔≤10ps，各帧之间曝光时间抖动≤35ps，等效帧速≥3亿帧/秒。第一台八画幅超高速分幅相机已于去年12月在西安工厂下线，并交付客户使用。图4 首台套八画幅超高速分幅相机下线前主要研发人员合影留念产品技术创新传统的超高速分幅相机主要有两种技术路径，一种是基于微通道板微带阴极行波选通的分幅相机，它获得的图像分辨率较低，很难用来进行图像分析；另一种是基于半透半反棱镜分光结构的分幅相机，由于分光结构的特点导致系统体积大，且容易因棱镜前后表面的反射而形成“鬼像”，降低成像质量。针对传统分幅相机存在的以上问题，我们的产品进行了以下技术创新：1、创新性的设计了基于多面体反射棱镜的孔径分光光学系统，相对于传统的半透半反棱镜分光结构，孔径分光系统的各画幅强度一致性好，光通量大，各个画幅均为反射成像，从而彻底解决了传统分幅相机棱镜分光系统中常有的“鬼像”问题和不同波段“透反比”不一致导致的各个画幅强度不均匀两大技术问题，同时可将分幅光路的作用波段范围扩展至紫外波段。孔径分光系统也在结构上带来了彻底的革新，使得整个分幅相机集成度更高，系统占面缩小了近一半。2、针对各个画幅间精确的时间同步需求，我们设计开发了多通道同步时序控制器，用于各个通道的各画幅间的精准时间同步，同步精度10ps，延迟分辨率10ps，通道间时间抖动小于35ps。该工作属于国内首创，同步时序控制精度达到国际领先水平，填补了国内相关技术的空白。 图5 八画幅超高速分幅相机各通道画幅均一性在产品结构上，我们采用优化的结构设计，各通道立体布局，各画幅采用相机内核集成，并且对各通道单独设计了3个自由度的调整校准机构，用于各通道各画幅间的偏移、旋转校准。以上结构创新，使得相机更加紧凑、重量更轻、功耗更低，同时对各通道各画幅之间的一致性校准提供了结构保证。图6 八画幅超高速分幅相机内部立体结构布局在开发生产工艺上，我们优化设计的光学耦合工艺，将各个画幅的空间分辨率提高到了28~30lp/mm，显著优于市场上的22~25lp/mm；采用严格的校准技术和工艺，并且通过软件对各个画幅间的强度和增益进行了校准，更好的保证了各个画幅间的强度和增益的一致性，能够更加真实的呈现原始信号。图7 八画幅超高速分幅相机各通道画幅成像分辨率测试我们还从设计、制造工艺以及使用环境等多方面考虑，保证超高速分幅相机产品的可靠性。在设计环节，我们的孔径分光结构大大降低了光学系统的复杂程度，并通过精密装配工艺提高了系统的可靠性，同时，针对超高速分幅相机可能的工作环境，我们进行了电磁屏蔽设计，保证整机的抗电磁干扰能力；在生产制造环节，各个元器件、模组都经过严格考核和筛选，从而保证装配后的整机可靠性；整机装配完成后还会进行严格的各项参数检测、拷机测试、振动测试等来保证设备可靠性。中智科仪还组件了一支素质过硬经验丰富的应用工程师和售后技术服务团队，专门为用户提供包括应用测试、操作培训等售前和售后技术支持和服务，并且响应速度迅速，专业高效，也能针对客户的部分具体功能和使用需求进行个性化定制开发的服务。因此，中智科仪超高速分幅相机产品在产品性能参数、功能特点、技术服务水平、售后服务响应速度等多个方面，均优于国外产品。目前，中智科仪的超高速分幅相机已在核聚变等离子体研究、爆炸过程高速成像和光谱诊断、含能材料冲击波演化过程等多种具体应用场景下为科学家提供服务。展望未来，中智科仪的超高速分幅相机系列产品还可广泛应用于生物医学、燃烧学、空气动力学、材料科学、核科学等多种学科方向，我们用心做好中国自己的科学仪器，为中国的科技进步发光发热，贡献绵薄之力。