潜入光的迷宫：IsCMOS像增强相机与超短门宽的散射光场奇观

在当今科技飞速发展的时代，水下散射成像技术的迅猛进步为我们提供了前所未有的视角，深入探索光与散射介质之间复杂的相互作用。通过高精度的IsCMOS像增强相机，本实验研究揭示了光在水中传播的奥秘，即使在光线信息最初被扭曲的环境下，我们依然能够获取清晰的成像结果。

光线的散射之谜

当光线穿透如水体这样的散射介质时，会不可避免地会遭遇多重散射，导致原始光波信息的严重破坏(例如方向、强度、相位等信息)。多重散射后，光波形成的图像会变得杂乱，呈现为一种称为“散斑”的模式。散斑是由光波相干性产生的亮暗不一的图案，看起来很混乱，但实际上这种模式包含了经过散射介质的光波的复杂编码信息。

尽管散射导致信息的初步形态被破坏，现代成像技术，特别是通过计算方法和先进的成像设备，可以解码这些看似杂乱的散斑图案。通过理解和处理散斑中的信息，重建散射介质前物体的图像。最终，这些技术使我们能够有效地克服多重散射带来的视觉障碍，恢复散射介质前的清晰图像，从而在视觉上穿透散射介质。

精密设备在行动

01、相关产品

逐光IsCMOS像增强相机采用了高量子效率低噪声的第二代Hi-QE 和第三代 GaAs 像增强器，国产自研，无需进出口许可。

500皮秒光学门宽：以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声。

98幅/秒帧频：采集帧频98fps@1600*1088, >200fps@1600*500。

内置三通道同步时序控制器：同步精度高达10皮秒的三通道独立同步/延时输出。

无需制冷的低噪声探测技术：内在低噪声芯片及完全自主开发的低噪声电路。

快门重复频率高达5MHz：同步高重频激光器，更高的信噪比。

光纤锥耦合技术：更高的光通量，无光晕现象。

先进的Hi-QE及GaAs光阴极：从紫外至近红外均可选择高量子效率阴极，大幅度提升信噪比，更高增益的双层MCP可供选择。

Windows及Linux SDK支持：成熟的跨平台软件开发套件，支持全功能二次开发。

在这一研究中，逐光IsCMOS像增强相机TRC411-S-H20-U型相机起到了关键的作用。使得对于水下物体的精确成像成为可能。

超短门宽控制：TRC411相机能够支持非常短的门宽，例如在本实验中使用的500皮秒(ps)门宽。超短门宽允许相机在非常短的时间窗口内捕捉光信号，这是对快速动态过程进行高分辨率成像所必需的。这种能力特别适合捕捉散射介质中迅速变化的光波动态。

高精度的时间同步：实验中使用了外部触发模式来确保相机与激光器的精确同步。这是实现精确时间选通的关键，确保相机恰好在光波通过散射介质并到达目标物体的瞬间开启，捕捉必要的图像数据。

灵活的延时调整：TRC411相机支持通过控制门控模块的延时来调整捕捉图像的具体时刻。这对于适应不同浓度介质导致的光速变化至关重要。通过精确调整延时，实验可以在不同条件下维持成像的质量和准确性。

高增益控制：相机的MCP增益控制功能允许实验者根据不同的光线强度调整增益，这在处理由于介质浓度变化而引起的光强不同的情况下非常有用。

高分辨率和高灵敏度：TRC411相机提供高分辨率和高灵敏度的成像能力，这对于捕捉散射介质中的微弱光波至关重要。这使得实验能够获得足够的图像质量来进行后续的图像分析和重建。

这些特性共同确保了实验可以精确地探索和解码散射介质中的光波传播和相互作用。

02、实验过程

测试任务：使用TRC411相机对水下物体成像，利用超短门宽进行距离选通，分别对清水以及不同浓度介质情况下采集散射干涉条纹。

实验设备：逐光IsCMOS像增强相机 型号：TRC411-S-H20-U

测试流程：

1.实验所用的激光器为532nm的纳秒脉冲绿光激光器，使用激光器触发相机的方式。实验光路如图1所示：

图1：实验光路图 

图2：500ps门控成像画面

2、在蓄水池中注入清水，并通过外部触发方式将激光器与相机精确同步。相机的触发模式设定为External Trigger-HighFreq，触发电平设置为1V，触发频率设为200Hz，并将MCP增益调至1800，以确保光信号能够被清晰捕获。在使用3ns门控模块进行序列扫描时，注意到同步时刻位于gate开启之前，因此切换至500ps门控模块，该模块的固有延时比3ns模块快约40ns。在设置500ps门控模块的延时为26.7ns后，成功捕捉到物体的影像。

3、在清水中加入不同浓度的介质，由于介质的折射率不同，溶液的折射率随之改变，进而影响延时时刻。因此，在各种不同浓度的介质中，需要针对性地调整合适的gate延时时刻和mcp增益，以适应每种情况下的成像需求。

实验数据：

①清水：deley26.7ns

②1.0ml：deley27.8ns;

③1.6ml：deley27.6ns;

④2.0ml：deley27.5ns;

⑤2.2ml：deley27.5ns;

其他：若选择使用3ns门控模块，为确保成像信号能够在gate开启时刻之后到达，需适当延长成像光路。对于3ns门控模块，其组成的延时包括：数字延迟发生器(DDG)的固有延时大约为21ns，门控模块自身延时大约为48ns，以及内部电缆的传输延时约为10ns，总计约80ns的延时。对于500ps门控模块，DDG模块的固有延时为21ns，门控模块延时为15ns，内部电缆传输延时同样约为10ns，总计约45ns的延时。

结果与未来展望

IsCMOS相机能够与实验中使用的脉冲激光器迅速同步，支持调整gate门宽度、脉冲宽度及延迟时间。在本次测试中，逐光IsCMOS相机使用了500ps的超短门宽进行成像，同时提供了10ps精度的延时控制功能，以便在不同浓度介质下进行有效的成像采集。

通过本次实验，我们不仅验证了IsCMOS相机在超短门宽下的成像能力，还展示了在不同介质浓度下散射光场的详细数据。

审核编辑 黄宇