三维超声容定仪

中国科学技术大学刘诚教授牵头，中国科学院合肥物质科学研究院、安徽大学、广东省广州生态环境监测中心站等单位参与，自主研制同时具备多组分污染气体垂直成像、水平成像和污染源靶向成像遥感功能的超光谱三维靶向成像仪，荣获2023年第二届“金燧奖”中国光电仪器品牌榜金奖。该奖项由中国光学工程学会、中国计量科学研究院主办，重点评选出中国自主研发、制造、生产的高端光电仪器。超光谱污染气体三维靶向成像仪的垂直成像遥感功能实现了臭氧及前体物无盲区垂直廓线的同步观测，在臭氧污染敏感性的垂直演化规律识别、污染物高空传输和垂直交换影响研究中广泛应用；水平成像遥感能够将排放热点高值区范围从卫星遥感和地面原位监测的公里级缩小到百米级尺度；排放源成像遥感可将排放责任锁定到米级尺度的污染排口，实现排放通量的动态监测。团队研究成果打破了我国超光谱污染气体地基遥感对欧美核心部件和关键技术的依赖，相关成果发表在Earth-Science Reviews、Remote Sensing of Environment、Science Bulletin、Engineering等国内外期刊上，截至目前已授权发明专利4项，实用新型专利1项。超光谱污染气体三维靶向成像装备被生态环境部卫星环境应用中心、中国气象科学研究院等20余家政府部门和企业用于大气环境立体监测，为中国国际进口博览会、成都大运会等国家重大活动的空气质量保障提供支撑。

华东师大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三维成像领域取得进展，发展了宽视场、超灵敏、高分辨的中红外上转换三维成像技术，获得了单光子成像灵敏度与飞秒光学门控精度，可为芯片无损检测、远程红外遥感和生物医学诊断等重要应用提供有力支撑，相关成果以“Mid-infrared single-photon 3D imaging”为题于2023年6月9日在线发表于Light: Science & Applications。华东师大为论文的第一完成单位，博士研究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。激光三维成像技术具有成像分辨率高、测量距离远、探测信息丰富等优点而被广泛应用于自动驾驶、卫星遥感、工业生产检测等众多领域。特别是，中红外波段位于分子指纹光谱区，涵盖多种官能团吸收峰，能够对三维目标进行化学特异性识别，在无损伤物质材料鉴定、无标记生物组织成像，以及非入侵医学病理诊断等领域备受关注。此外，该波段包含多个大气透射窗口，且相较于近红外光有更好穿透烟尘、雾霾的能力，在形貌测绘与遥感识别等方面具有独特优势。长期以来，如何实现趋近单光子水平的探测灵敏度都是中红外三维成像领域的国际研究热点，对于促进其在低光通量、光子稀疏的微光探测场景下的应用具有积极意义。然而，单光子水平的激光三维成像长期以来仅局限在可见光/近红外波段，主要制约因素在于中红外波段缺乏高探测灵敏度与高时间分辨率的光子探测与成像器件。近年来，随着红外器件工艺精进与新材料涌现，中红外探测器性能得到了长足发展，但依然面临着增强灵敏度、提升响应带宽、扩大像素规模、提高工作温度等亟待解决的难题。中红外三维测量可以采用光学相干层析、光热成像、光声成像等技术方案来实现，但往往需要逐点扫描，无法单次获取高性噪比的大面阵成像。因此，实现大视场、高分辨的中红外单光子三维成像仍颇具挑战。图3：中红外单光子三维成像装置图为此，华东师大研究团队发展了基于高精度非线性光学取样的中红外上转换测控技术，实现了超灵敏、高分辨、大视场的中红外三维成像，展示了单光子探测灵敏度、飞秒门控时间精度以及百万像素宽画幅。具体而言，研究人员采用非线性光学和频过程将信号波长高效转换至可见光波段，利用高性能硅基相机即可实现红外成像，从而规避了现有红外焦平面阵列灵敏度不足的技术瓶颈。同时，该上转换成像系统采用同步脉冲泵浦方案，可将背景噪声限制在极窄时间窗口内，结合精密频谱滤波可以有效提升探测信噪比，进而实现单光子水平的成像灵敏度。此外，研究人员沿用课题组此前发展的非线性广角成像技术[Nature Commun. 13, 1077 (2022)]，通过单次曝光即可获得大视场成像，免除了逐点机械扫描过程，大幅提升了成像速度。图4：中红外三维立体成像，被测信号强度约为1光子/像素/秒进一步，研究人员采用超快光学符合门控技术，精确测量中红外信号的相对飞行时间，从而得到被测物体表面的形貌信息。该时间飞行成像系统的时间分辨能力取决于光学脉冲宽度，可以达到飞秒水平的时间标记精度，通过高速延时扫描与宽场全幅采集，对被测场景进行快速时域切片，进而反演出目标界面的反射率、透射率以及材料的吸收率、折射率、色散量等丰富信息。图4展示了多角度中红外照明下三维数据信息融合重构出的被测目标立体形貌，其中被测信号强度约为1光子/像素/秒。图5：时空关联去噪算法，信号和噪声水平分别约为0.05和1000光子/像素/秒 在稀疏光子场景中，有效信号往往被淹没在严重的背景噪声中，仅从强度信息通常难以识别被测目标。为此，如何有效地区分信号和噪声光成为单光子成像的关键难点。为模拟极低照度、高噪声场景，该研究团队将红外信号衰减至0.05光子/像素/秒，对应的信噪比低至1:20000。如图5a-c所示，传统强度峰值识别算法并不能有效甄别信号。在主动成像中，成像系统接收的信号光子在时-空域上具有一定的连续性，而背景噪声光子则会随机分布在整个时间轴与空间像素点上。 基于该特性，研究人员发展了精确、高效和鲁棒的点云去噪算法，通过关联增强空间相邻像素与相邻时间帧的强度，有效提取与甄别信号光子，进而实现高背景噪声下的中红外单光子三维成像（图5d-i）。 所发展的中红外三维成像技术具备高灵敏与高分辨的独特优势，结合该波段优越的抗散射干扰能力，对于复杂环境下的红外场景恢复具有重要意义，可以发展出中红外散射成像与中红外非视域成像。此外，通过调谐中红外信号波长，可以实现四维高光谱成像，可为材料检测、无损探伤、生物成像等创新应用提供有力支撑。 近年来，曾和平教授与黄坤研究员课题组在红外单光子测控方面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 Commun. 13, 1077 (2022)]，中红外单光子单像素成像[Nature Commun. 14, 1073 (2023)]，以及高帧频中红外单光子光谱 [Laser Photonics Rev. 2300149 (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。

市面绝大多数共聚焦显微镜采用点扫描式激光共聚焦技术，成像速度较慢，难以满足活细胞动态观测、大视野快速扫描等成像需求。长光辰英的S3000转盘共聚焦显微镜采用三条纹转盘共聚焦成像技术，配合电动Z轴快速扫描，将成像速度提高至少二十倍。同时采用LED面光源激发光线更均匀，光毒性、光漂白性大大降低，适合连续观测。作为超快荧光三维成像的革新者，长光辰英的成像产品为活细胞，细胞生物学、微生物学、发育生物学、神经生物学及植物学等领域研究提供快速三维荧光成像的有力工具。推荐产品 S3000超快三维荧光成像系统S3000 超快三维荧光成像系统 (qq.com) PRECI SCS-F荧光单细胞分选仪PRECI SCS 微生物单细胞分选仪 (qq.com) RAColony菌落原位多表型检测与挑取工作站RAcolony 菌落原位多表型检测与挑取工作站 (qq.com) SC-catcher单细胞光镊操纵与分选系统SC-catcher单细胞光镊操纵与分选系统 (qq.com)应用案例Daphnia活体内纳米塑料颗粒排出过程的动态成像Daphnia吃到肠道内的纳米塑料颗粒会产生红色荧光，用共聚焦模式进行拍摄随着Daphnia肠道蠕动，纳米塑料颗粒排出的全部过程。此动图由10min的实际时间缩时到12s。传统点扫描激光共聚焦显微镜很难对动态过程实现拍摄，S3000转盘共聚焦成像系统可以很好地捕捉活体样本的动态变化。斑马鱼活体全鱼3D荧光成像神经细胞转入GFP基因的3d日龄斑马鱼，在镜下进行长达2h的活体动态荧光扫描，整张图由8个视野，每个视野17层进行逐层扫描成像，可以在2分钟内进行斑马鱼活体全鱼的荧光扫描，实现了激光点扫描共聚焦无法达到的速度，更好的保持斑马鱼的活性，提供长时间拍摄的条件。肺组织切片的超大视野快速成像对小鼠肺叶组织切片进行共聚焦切片扫描，在其中橙色标明的气管ROI区域进行更大放大倍数的细节扫描。对常规荧光切片扫描仪难以捕捉及判断的信号进行高清成像。肠道微生物高分辨成像利用能够代谢标记肽聚糖的D型氨基酸荧光探针（FDAA）作为工具，通过使用红绿两种FDAA探针对小鼠进行序贯在体标记，随后，对肠道微生物进行取样，并使用S3000转盘共聚焦显微镜观察双色荧光在细菌上的分布，进而推测其增殖分裂模式。【文章链接：《mLife》丨基于共聚焦荧光成像的单细胞分选测序技术揭示肠道菌群中细菌的分裂模式及种属分类 (qq.com)】【拓展阅读：想知道共聚焦显微镜下的昆虫什么样子吗？(qq.com)】【拓展阅读：HOOKE S3000转盘共聚焦显微镜下的微观世界掠影 第二篇--植物系列 (qq.com)】【拓展阅读：共聚焦显微镜下掠影 第三篇《动物组织系列》 (qq.com)如果您对我们的产品和服务感兴趣，请随时联系我们