多重曝光频率辨识重构相机

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。

2021年伊始，显微镜技术也迎来新的跨越。光物理学家开发出一种新方法，利用现有显微镜技术，无需添加染色剂或荧光染料，就能更详细地观察活细胞内部。这是一种荧光寿命显微镜技术，能够使用频率梳而不是机械部件来观察动态生物现象。其中一项研究的领导者、日本东京大学光子科学与技术研究所副教授Takuro Ideguchi表示，“我认为无标签技术将是一个重要的研究方向。特别是以无标签的方式对细胞内外病毒和外来体等小颗粒进行测量的技术将是未来成像设备的一个趋势。”更大范围 更小相位变化由于单个细胞几乎是半透明的，因此显微镜照相机必须能探测到穿过部分细胞的光线的极其细微的差异。这些差异被称为光的相位。相机图像传感器则受到它们能检测到的光相位差的限制，即动态范围。“为了使用同一图像传感器看到更详细的信息，我们必须扩大动态范围，这样就可以探测到更小的光相位变化。”Ideguchi说，“更大的动态范围允许我们测量小型和大型的相位图像。例如，如果测量一个细胞，细胞的主干会产生大的相位变化，而细胞内的小颗粒/分子会产生小的相位变化。为了使两者可视化，我们必须扩大测量的动态范围。”该研究小组开发了一种技术，通过两次曝光分别测量光相位的大小变化，然后将它们无缝连接起来，制造出详细的最终图像。他们将这种方法命名为自适应动态范围偏移定量相位成像（ADRIFT-QPI）。相关论文近日发表于《光：科学与应用》。一直以来，定量相位成像是观察单个细胞的有力工具，它允许研究人员进行详细的测量，比如根据光波的位移跟踪细胞的生长速度。然而，由于图像传感器的饱和容量较低，该方法无法跟踪细胞内及周围的纳米颗粒。而新方法克服了定量相位成像的动态范围限制。在ADRIFT-QPI中，相机需要两次曝光，并产生一个最终图像，其灵敏度是传统定量相显微镜的7倍。两次曝光 告别光毒第一次曝光是用常规的定量相位成像产生的——平的光脉冲指向样品，并在它通过样品后测量光的相移。计算机图像分析程序基于第一次曝光的图像，快速设计一个反射样品图像。然后，研究人员用一个叫做波前整形装置的独立组件，用更高强度的光产生一种“光雕塑”，以获得更强的照明，并向样品发出脉冲，进行第二次曝光。如果第一次曝光产生的图像是样品的完美代表，第二次曝光的雕刻光波将以不同的相位进入并穿过样品，最终只能看到一个黑暗的图像。“有趣的是，我们在某种程度上抹去了样本的图像。实际上，我们几乎什么都不想看到。我们去掉了大的结构，这样就能看到小的细节。”Ideguchi解释道，由于第一次测量中存在较大的相位对象，受动态范围的限制，无法对较小的相位对象进行可视化，研究人员称之为“洗掉”。他们需要第二次测量观察动态范围移位的小相位物体的细节。此外，该方法不需要特殊的激光、显微镜或图像传感器，研究人员可以使用活细胞，而且不需要任何染色或荧光，出现光毒性的可能性很小。光毒性是指用光杀死细胞，这也是其他成像技术如荧光成像面临的一个问题。另一篇论文的通讯作者、日本德岛大学Post-LED光子学研究所教授Takeshi Yasui指出，在传统的激光扫描共焦显微镜中，强激发光聚焦在一个焦点上，并对焦点进行二维机械扫描，使光毒性的影响较强。 Yasui等人的荧光成像新方法中，激发光被聚焦为一个二维焦点，因此每个焦点的光强度变得非常弱。“光毒性高度依赖于入射光的强度，我们的方法也可以显著降低。”改造荧光成像荧光显微镜广泛用于生物化学和生命科学，因为它允许科学家直接观察细胞及其内部和周围的某些化合物。荧光分子能吸收特定波长范围内的光，然后在较长的波长范围内重新发射。然而，传统荧光显微技术的主要局限性是其结果难以定量评价，而且荧光强度受实验条件和荧光物质浓度的显著影响。现在，一项新研究将彻底改变荧光显微镜领域。当荧光物质被一束短脉冲光照射时，产生的荧光不会立即消失，而是随着时间的推移“衰减”。但荧光衰减非常快，普通相机无法捕捉到它。虽然可以使用单点光电探测器，但必须在整个样本区域进行扫描，才能从每个测量点重建出完整的二维图像。这个过程涉及到机械部件的运动，这极大限制了图像捕捉的速度。在最近发表于《科学进展》的一项研究中，科学家开发了一种不需要机械扫描就能获得荧光寿命图像的新方法。领导这项研究的日本德岛大学Post-LED光子学研究所教授Takeshi Yasui说，“我们能在2D空间上同时映射44400个‘光秒表’来测量荧光寿命——所有这些都在一次拍摄中，不需要扫描。”“到目前为止，光频率梳被广泛地用作测量光频率的标尺，但我们一直在考虑其他的用途。”Yasui讲到，“我们意识到，如果将光学频率梳视为具有超离散多光谱结构的光，通过维数转换将被测物理量叠加在光谱上，可以从双梳光谱获得的模式分辨光谱中共同获得被测物理量。”研究人员使用光学频率梳作为样品的激发光。一个光学频率梳本质上是一个光信号，它们之间的间隔是恒定的。研究人员将一对激发频率梳信号分解为具有不同强度调制频率的单个光拍信号（双梳光拍），每个光拍携带单个调制频率，辐照到目标样品上。而且，每束光束都在一个不同的空间位置击中样本，在样本二维表面的每个点和双梳光拍的每个调制频率之间形成一一对应的关系。研究人员用数学方法将测量信号转换为频域信号，根据调制频率处的激发信号与测量信号之间存在的相位延迟，计算出每个像素处的荧光寿命。Yasui表示，这将有助于动态观察活细胞，还可以用于多个样本的同时成像和抗原检测——这种方法已经被用于新冠肺炎的诊断。该技术还有助于开发出新的顽固性疾病疗法，提高预期寿命。同样，Ideguchi也提到，ADRIFT-QPI能够在整个活细胞的背景下看到微小颗粒，而不需要任何标签或染色。“该技术可以检测到来自纳米级粒子的细小信号，比如病毒或在细胞内外移动的粒子，这样就可以同时观察它们的行为和细胞的状态。”相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-020-00435-zhttps://doi.org/10.1126/sciadv.abd2102

近日，中国科学院合肥物质院安光所张为俊研究员团队在时间分辨频率调制磁旋转光谱探测技术方面取得新进展，相关研究成果以《用于OH自由基时间分辨测量的高带宽中红外频率调制磁旋转光谱仪》为题发表于美国光学学会(OSA)出版的Optics Express上。 　　羟基(OH)自由基是大气中最重要的氧化剂，启动了对流层大气中绝大部分的氧化反应。OH自由基浓度低、寿命短，实现高灵敏快速检测对于深入研究其化学反应动力学和机理、厘清大气污染成因，具有极为重要的科学和应用意义。 　　团队赵卫雄研究员和程飞虎博士等人发展的用于OH自由基高灵敏快速测量的频率调制磁旋转光谱技术具有高时间分辨、高灵敏度、选择性好的特点，特别适合短寿命自由基和中间体的动力学研究。实验中，针对266nm脉冲激光产生OH自由基，研究人员使用该技术测量了2.8微米附近的时间分辨光谱信号，经过3次脉冲平均，OH的检测线达到6.8×10 8 分子/立方厘米 (1σ, 0.2 ms)，100次平均后，检测线可进一步下降到8.0×10 7 分子/立方厘米。该技术不仅适用于OH自由基，也适用于其它顺磁性瞬态分子，将为自由基动力学研究提供一种新的重要测量手段。 　　本研究得到国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、中国科学院合肥物质科学研究院院长基金资助。频率调制磁旋转光谱装置原理图OH自由基浓度时间衰减曲线(a)OH自由基浓度监测；(b)OH自由基浓度的艾伦偏差