潛入光的迷宮：IsCMOS像增強(qiáng)相機(jī)與超短門(mén)寬的散射光場(chǎng)奇觀

在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，水下散射成像技術(shù)的迅猛進(jìn)步為我們提供了前所未有的視角，深入探索光與散射介質(zhì)之間復(fù)雜的相互作用。通過(guò)高精度的IsCMOS像增強(qiáng)相機(jī)，本實(shí)驗(yàn)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(huán)境下，我們依然能夠獲取清晰的成像結(jié)果。

光線的散射之謎

當(dāng)光線穿透如水體這樣的散射介質(zhì)時(shí)，會(huì)不可避免地會(huì)遭遇多重散射，導(dǎo)致原始光波信息的嚴(yán)重破壞(例如方向、強(qiáng)度、相位等信息)。多重散射后，光波形成的圖像會(huì)變得雜亂，呈現(xiàn)為一種稱為“散斑”的模式。散斑是由光波相干性產(chǎn)生的亮暗不一的圖案，看起來(lái)很混亂，但實(shí)際上這種模式包含了經(jīng)過(guò)散射介質(zhì)的光波的復(fù)雜編碼信息。

盡管散射導(dǎo)致信息的初步形態(tài)被破壞，現(xiàn)代成像技術(shù)，特別是通過(guò)計(jì)算方法和先進(jìn)的成像設(shè)備，可以解碼這些看似雜亂的散斑圖案。通過(guò)理解和處理散斑中的信息，重建散射介質(zhì)前物體的圖像。最終，這些技術(shù)使我們能夠有效地克服多重散射帶來(lái)的視覺(jué)障礙，恢復(fù)散射介質(zhì)前的清晰圖像，從而在視覺(jué)上穿透散射介質(zhì)。

精密設(shè)備在行動(dòng)

01、相關(guān)產(chǎn)品

逐光IsCMOS像增強(qiáng)相機(jī)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(qiáng)器，國(guó)產(chǎn)自研，無(wú)需進(jìn)出口許可。

500皮秒光學(xué)門(mén)寬：以皮秒精度捕捉瞬態(tài)現(xiàn)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(nèi)置三通道同步時(shí)序控制器：同步精度高達(dá)10皮秒的三通道獨(dú)立同步/延時(shí)輸出。

無(wú)需制冷的低噪聲探測(cè)技術(shù)：內(nèi)在低噪聲芯片及完全自主開(kāi)發(fā)的低噪聲電路。

快門(mén)重復(fù)頻率高達(dá)5MHz：同步高重頻激光器，更高的信噪比。

光纖錐耦合技術(shù)：更高的光通量，無(wú)光暈現(xiàn)象。

先進(jìn)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(tái)軟件開(kāi)發(fā)套件，支持全功能二次開(kāi)發(fā)。

在這一研究中，逐光IsCMOS像增強(qiáng)相機(jī)TRC411-S-H20-U型相機(jī)起到了關(guān)鍵的作用。使得對(duì)于水下物體的精確成像成為可能。

超短門(mén)寬控制：TRC411相機(jī)能夠支持非常短的門(mén)寬，例如在本實(shí)驗(yàn)中使用的500皮秒(ps)門(mén)寬。超短門(mén)寬允許相機(jī)在非常短的時(shí)間窗口內(nèi)捕捉光信號(hào)，這是對(duì)快速動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)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(zhì)中迅速變化的光波動(dòng)態(tài)。

高精度的時(shí)間同步：實(shí)驗(yàn)中使用了外部觸發(fā)模式來(lái)確保相機(jī)與激光器的精確同步。這是實(shí)現(xiàn)精確時(shí)間選通的關(guān)鍵，確保相機(jī)恰好在光波通過(guò)散射介質(zhì)并到達(dá)目標(biāo)物體的瞬間開(kāi)啟，捕捉必要的圖像數(shù)據(jù)。

靈活的延時(shí)調(diào)整：TRC411相機(jī)支持通過(guò)控制門(mén)控模塊的延時(shí)來(lái)調(diào)整捕捉圖像的具體時(shí)刻。這對(duì)于適應(yīng)不同濃度介質(zhì)導(dǎo)致的光速變化至關(guān)重要。通過(guò)精確調(diào)整延時(shí)，實(shí)驗(yàn)可以在不同條件下維持成像的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。

高增益控制：相機(jī)的MCP增益控制功能允許實(shí)驗(yàn)者根據(jù)不同的光線強(qiáng)度調(diào)整增益，這在處理由于介質(zhì)濃度變化而引起的光強(qiáng)不同的情況下非常有用。

高分辨率和高靈敏度：TRC411相機(jī)提供高分辨率和高靈敏度的成像能力，這對(duì)于捕捉散射介質(zhì)中的微弱光波至關(guān)重要。這使得實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颢@得足夠的圖像質(zhì)量來(lái)進(jìn)行后續(xù)的圖像分析和重建。

這些特性共同確保了實(shí)驗(yàn)可以精確地探索和解碼散射介質(zhì)中的光波傳播和相互作用。

02、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

測(cè)試任務(wù)：使用TRC411相機(jī)對(duì)水下物體成像，利用超短門(mén)寬進(jìn)行距離選通，分別對(duì)清水以及不同濃度介質(zhì)情況下采集散射干涉條紋。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：逐光IsCMOS像增強(qiáng)相機(jī) 型號(hào)：TRC411-S-H20-U

測(cè)試流程：

1.實(shí)驗(yàn)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(fā)相機(jī)的方式。實(shí)驗(yàn)光路如圖1所示：

圖1：實(shí)驗(yàn)光路圖

圖2：500ps門(mén)控成像畫(huà)面

2、在蓄水池中注入清水，并通過(guò)外部觸發(fā)方式將激光器與相機(jī)精確同步。相機(jī)的觸發(fā)模式設(shè)定為External Trigger-HighFreq，觸發(fā)電平設(shè)置為1V，觸發(fā)頻率設(shè)為200Hz，并將MCP增益調(diào)至1800，以確保光信號(hào)能夠被清晰捕獲。在使用3ns門(mén)控模塊進(jìn)行序列掃描時(shí)，注意到同步時(shí)刻位于gate開(kāi)啟之前，因此切換至500ps門(mén)控模塊，該模塊的固有延時(shí)比3ns模塊快約40ns。在設(shè)置500ps門(mén)控模塊的延時(shí)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(zhì)，由于介質(zhì)的折射率不同，溶液的折射率隨之改變，進(jìn)而影響延時(shí)時(shí)刻。因此，在各種不同濃度的介質(zhì)中，需要針對(duì)性地調(diào)整合適的gate延時(shí)時(shí)刻和mcp增益，以適應(yīng)每種情況下的成像需求。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

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(mén)控模塊，為確保成像信號(hào)能夠在gate開(kāi)啟時(shí)刻之后到達(dá)，需適當(dāng)延長(zhǎng)成像光路。對(duì)于3ns門(mén)控模塊，其組成的延時(shí)包括：數(shù)字延遲發(fā)生器(DDG)的固有延時(shí)大約為21ns，門(mén)控模塊自身延時(shí)大約為48ns，以及內(nèi)部電纜的傳輸延時(shí)約為10ns，總計(jì)約80ns的延時(shí)。對(duì)于500ps門(mén)控模塊，DDG模塊的固有延時(shí)為21ns，門(mén)控模塊延時(shí)為15ns，內(nèi)部電纜傳輸延時(shí)同樣約為10ns，總計(jì)約45ns的延時(shí)。

結(jié)果與未來(lái)展望

IsCMOS相機(jī)能夠與實(shí)驗(yàn)中使用的脈沖激光器迅速同步，支持調(diào)整gate門(mén)寬度、脈沖寬度及延遲時(shí)間。在本次測(cè)試中，逐光IsCMOS相機(jī)使用了500ps的超短門(mén)寬進(jìn)行成像，同時(shí)提供了10ps精度的延時(shí)控制功能，以便在不同濃度介質(zhì)下進(jìn)行有效的成像采集。

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，我們不僅驗(yàn)證了IsCMOS相機(jī)在超短門(mén)寬下的成像能力，還展示了在不同介質(zhì)濃度下散射光場(chǎng)的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

審核編輯 黃宇