潛入光的迷宮：IsCMOS像增強相機與超短門寬的散射光場奇觀

在當今科技飛速發展的時代，水下散射成像技術的迅猛進步為我們提供了前所未有的視角，深入探索光與散射介質之間復雜的相互作用。通過高精度的IsCMOS像增強相機，本實驗研究揭示了光在水中傳播的奧秘，即使在光線信息最初被扭曲的環境下，我們依然能夠獲取清晰的成像結果。

光線的散射之謎

當光線穿透如水體這樣的散射介質時，會不可避免地會遭遇多重散射，導致原始光波信息的嚴重破壞(例如方向、強度、相位等信息)。多重散射后，光波形成的圖像會變得雜亂，呈現為一種稱為“散斑”的模式。散斑是由光波相干性產生的亮暗不一的圖案，看起來很混亂，但實際上這種模式包含了經過散射介質的光波的復雜編碼信息。

盡管散射導致信息的初步形態被破壞，現代成像技術，特別是通過計算方法和先進的成像設備，可以解碼這些看似雜亂的散斑圖案。通過理解和處理散斑中的信息，重建散射介質前物體的圖像。最終，這些技術使我們能夠有效地克服多重散射帶來的視覺障礙，恢復散射介質前的清晰圖像，從而在視覺上穿透散射介質。

精密設備在行動

01、相關產品

逐光IsCMOS像增強相機采用了高量子效率低噪聲的第二代Hi-QE 和第三代 GaAs 像增強器，國產自研，無需進出口許可。

500皮秒光學門寬：以皮秒精度捕捉瞬態現象，并大幅降低背景噪聲。

98幅/秒幀頻：采集幀頻98fps@1600*1088, >200fps@1600*500。

內置三通道同步時序控制器：同步精度高達10皮秒的三通道獨立同步/延時輸出。

無需制冷的低噪聲探測技術：內在低噪聲芯片及完全自主開發的低噪聲電路。

快門重復頻率高達5MHz：同步高重頻激光器，更高的信噪比。

光纖錐耦合技術：更高的光通量，無光暈現象。

先進的Hi-QE及GaAs光陰極：從紫外至近紅外均可選擇高量子效率陰極，大幅度提升信噪比，更高增益的雙層MCP可供選擇。

Windows及Linux SDK支持：成熟的跨平臺軟件開發套件，支持全功能二次開發。

在這一研究中，逐光IsCMOS像增強相機TRC411-S-H20-U型相機起到了關鍵的作用。使得對于水下物體的精確成像成為可能。

超短門寬控制：TRC411相機能夠支持非常短的門寬，例如在本實驗中使用的500皮秒(ps)門寬。超短門寬允許相機在非常短的時間窗口內捕捉光信號，這是對快速動態過程進行高分辨率成像所必需的。這種能力特別適合捕捉散射介質中迅速變化的光波動態。

高精度的時間同步：實驗中使用了外部觸發模式來確保相機與激光器的精確同步。這是實現精確時間選通的關鍵，確保相機恰好在光波通過散射介質并到達目標物體的瞬間開啟，捕捉必要的圖像數據。

靈活的延時調整：TRC411相機支持通過控制門控模塊的延時來調整捕捉圖像的具體時刻。這對于適應不同濃度介質導致的光速變化至關重要。通過精確調整延時，實驗可以在不同條件下維持成像的質量和準確性。

高增益控制：相機的MCP增益控制功能允許實驗者根據不同的光線強度調整增益，這在處理由于介質濃度變化而引起的光強不同的情況下非常有用。

高分辨率和高靈敏度：TRC411相機提供高分辨率和高靈敏度的成像能力，這對于捕捉散射介質中的微弱光波至關重要。這使得實驗能夠獲得足夠的圖像質量來進行后續的圖像分析和重建。

這些特性共同確保了實驗可以精確地探索和解碼散射介質中的光波傳播和相互作用。

02、實驗過程

測試任務：使用TRC411相機對水下物體成像，利用超短門寬進行距離選通，分別對清水以及不同濃度介質情況下采集散射干涉條紋。

實驗設備：逐光IsCMOS像增強相機 型號：TRC411-S-H20-U

測試流程：

1.實驗所用的激光器為532nm的納秒脈沖綠光激光器，使用激光器觸發相機的方式。實驗光路如圖1所示：

圖1：實驗光路圖

圖2：500ps門控成像畫面

2、在蓄水池中注入清水，并通過外部觸發方式將激光器與相機精確同步。相機的觸發模式設定為External Trigger-HighFreq，觸發電平設置為1V，觸發頻率設為200Hz，并將MCP增益調至1800，以確保光信號能夠被清晰捕獲。在使用3ns門控模塊進行序列掃描時，注意到同步時刻位于gate開啟之前，因此切換至500ps門控模塊，該模塊的固有延時比3ns模塊快約40ns。在設置500ps門控模塊的延時為26.7ns后，成功捕捉到物體的影像。

3、在清水中加入不同濃度的介質，由于介質的折射率不同，溶液的折射率隨之改變，進而影響延時時刻。因此，在各種不同濃度的介質中，需要針對性地調整合適的gate延時時刻和mcp增益，以適應每種情況下的成像需求。

實驗數據：

①清水：deley26.7ns

②1.0ml：deley27.8ns;

③1.6ml：deley27.6ns;

④2.0ml：deley27.5ns;

⑤2.2ml：deley27.5ns;

其他：若選擇使用3ns門控模塊，為確保成像信號能夠在gate開啟時刻之后到達，需適當延長成像光路。對于3ns門控模塊，其組成的延時包括：數字延遲發生器(DDG)的固有延時大約為21ns，門控模塊自身延時大約為48ns，以及內部電纜的傳輸延時約為10ns，總計約80ns的延時。對于500ps門控模塊，DDG模塊的固有延時為21ns，門控模塊延時為15ns，內部電纜傳輸延時同樣約為10ns，總計約45ns的延時。

結果與未來展望

IsCMOS相機能夠與實驗中使用的脈沖激光器迅速同步，支持調整gate門寬度、脈沖寬度及延遲時間。在本次測試中，逐光IsCMOS相機使用了500ps的超短門寬進行成像，同時提供了10ps精度的延時控制功能，以便在不同濃度介質下進行有效的成像采集。

通過本次實驗，我們不僅驗證了IsCMOS相機在超短門寬下的成像能力，還展示了在不同介質濃度下散射光場的詳細數據。

審核編輯 黃宇