高阶应用篇 | iStar sCMOS相机重塑 PIV 检测方案
当您的PIV实验从常规流场转向捕捉燃烧、爆炸或超声速流动等极端物理过程时，图像对之间的时间间隔（Δt）便成为决定成败的关键。此时，您需要的不仅是一台能工作的相机，更是一台能挑战物理极限的仪器。本文将深入先锋泰坦代理的牛津仪器iStar sCMOS相机的高阶应用，揭示其实现约300纳秒极短Δt的底层原理，并最终为您厘清它在众多PIV解决方案中的核心价值。
▌挑战极限：如何实现亚微秒时间间隔？
通常，在PIV实验中，用户都希望尽量减少图像对之间的时间间隔Δt，并获得尽可能清晰的图像。可以通过脉冲激光作为光源来实现这一目的，这种激光可以提供在时间上间隔很近的双短脉冲。或者，通过iStar SCMOS相机的DDG向光电阴极发送两个间隔很近的触发脉冲（宽度和间距软件可控）来采集图像对。本节将深入探讨如何优化相机配置（sCMOS传感器和像增强器），以实现最小的图像对时间间隔，或“时间分辨率”。如前所述，通过设置相机，可以获得比最短电荷转移时间2µs更短的图像对时间间隔。为了了解可能的最短时间及其限制，必须考虑系统的两个重要特征：
• 两次曝光之间的光学过渡时间
• 像增强器荧光屏的衰减时间
前者允许“图像”脉冲的间隔低于2µs，而后者则对“图像”信号在时间上的间隔设置了下限。
获取图像对的标准方法是在第一次曝光周期结束时捕获第一个激光脉冲（图像），在第二次曝光开始时捕获第二个脉冲（图像），见图1（A）。接下来将演示如何设置相机以显著降低图像间隔时间Δt，如图1（b）所示。首先，我们将考虑荧光屏衰减的影响，然后我们要考虑两次次曝光之间的光学过渡时间。
▲图1：ExtExp模式下采集的PIV图像对的时间间隔示意图。（a）标准操作方式，（b）说明了利用“光学”过渡时间（即荧光屏的衰减时间）将激光（和/或门控）脉冲延时到Δt内以实现更短时间价格的可能性。
然而，当考虑sCMOS结构的光学响应时，很明显可以获得更小的图像对时间间隔。sCMOS传感器在曝光间的特征光学响应如图2所示。首先，通过激光延时，确保激光脉冲落在2us的曝光间隔上，然后再不断调整（扫描）激光脉冲和FIRE脉冲之间的相对延时。该相对延迟是指曝光之间的光学过渡时间（“0”延迟）后FIRE脉冲的上升沿。当延迟（水平轴）在间隙中变化时，比较两个图像帧中捕获的平均信号强度。叠加在图上的是曝光间隙宽度为2µs的电子信号（FIRE）的时间分布。
▲图2: sCMOS在曝光之间的光学响应特性。（a）曝光帧间过渡，（b）放大图。红实线（和黑色虚线）对应于图像对第1帧中的积分强度，交叉（和蓝色虚线）对应图像对第2帧中的强度。
可以明显看出，sCMOS global shutter的光学响应过渡在~400 ns以上，过渡边缘位于2us间隔右侧FIRE脉冲上升沿的~100 ns以内。从数据中可以明显看出，图像之间的时间间隔可以小于2µs的电荷转移时间，达到几百纳秒的数量级。
▌关键选择：荧光屏衰减时间
像增强器内，不同荧光屏（phosphor layer）有不同的特征衰减时间。荧光屏的作用是将来自MCP倍增过后且带门控信号的电子转换回sCMOS可检测的可见光信号。荧光屏产生光信号在比实际门宽长得多的时间内呈指数下降。但是这不会影响实际的时间分辨率，但当两个在时间上很接近门控信号先后到达荧光屏后确实会产生影响，荧光屏较长的衰减曲线可能会导致两个图像之间的时间串扰。
通常iStar sCMOS提供两种荧光屏材料可供选择，P43用于最佳灵敏度但衰减时间（强度为峰值强度10%的时间）为~2ms，P46用于最佳时间分辨，衰减时间~200ns，但是灵敏度只有P43的30%[1]。因此，对于最短间隔时间的PIV应用，应选择P46荧光屏。
▌优化策略与最终极限
当考虑到所有这些因素后，可实现的没有图像间串扰的最小时间间隔为~300ns，并且延迟需要使得激光（或像增强器门控）的第二脉冲刚好在第二图像帧开始时的FIRE脉冲的上升沿之后。
如果用户希望在这种PIV模式下操作，我们强烈推荐首仔细了解系统组件的电学和光学时间响应特性，这将确保用户考虑到电学和光学路径中的所有延迟。
▌iStar sCMOS的优势总结
如果用户在任何情况下都使用双脉冲激光源作为PIV的光源，相对于标准的sCMOS相机，使用像增强型isCMOS相机的优势概括为以下几点：
• 使用像增强器GAIN（信号放大功能）在弱信号条件下可提高灵敏度；
• 像增强器的窄门宽（或弱光情况下的增益放大）可让图像的有效曝光时间更短，可减少图像模糊；
• 通过门控隔绝不想要的非PIV背景信号；
• 如果示踪粒子既散射激光同时也有荧光特性，通过门控可以从时间上隔绝荧光从而只采集散射光（荧光滞后于散射光）。
▌结论
至此，从基础原理到实战配置，再到性能的挖掘，已经完成了对iStar sCMOS相机在PIV应用中能力的全面解读。它不仅仅是一台相机，更是一个集高灵敏度、超高时间分辨率与极致触发灵活性于一身的强大流体动力学诊断平台。
*本篇技术应用原文出自牛津仪器科技(上海)有限公司。
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