Investigation of Image-based Lifetime PSP Measurements with Sinusoidal Excitation Light

用正弦激發(fā)光進(jìn)行的基于圖像的PSP （壓感噴漆）壽命測(cè)量研究

摘要翻譯

研究了使用新開發(fā)的 CMOS 相機(jī)傳感器 (pco.flim) 的頻域熒光壽命成像 (FLIM) 對(duì)風(fēng)洞測(cè)試中壓敏涂料 (PSP) 測(cè)量的適用性。兩個(gè)壽命參數(shù)，相位角和解調(diào)指數(shù)，可以用作 FLIM 技術(shù)中壓力的函數(shù)。首先，在校準(zhǔn)測(cè)試中檢查了 FLIM-PSP 技術(shù)的特性。相移和調(diào)制指數(shù)這兩個(gè)壽命參數(shù)對(duì)壓力和溫度表現(xiàn)出不同的敏感性。這表明 FLIM-PSP 技術(shù)具有同時(shí)測(cè)量壓力和溫度的潛力。接下來，使用三角翼模型在跨音速風(fēng)洞中演示了 FLIM-PSP 技術(shù)。得到的PSP結(jié)果成功地可視化了模型表面復(fù)雜的壓力分布，與常規(guī)測(cè)壓數(shù)據(jù)的定量吻合較好。

圖文節(jié)選（1）

壓敏涂料 (PSP) 測(cè)量技術(shù)基于由氧猝滅引起的其發(fā)光強(qiáng)度或衰減時(shí)間對(duì)壓力的依賴性。PSP 通常由適當(dāng)波長的光（例如紫外光）來激發(fā)，其壓力相關(guān)的發(fā)光強(qiáng)度或壽命由相機(jī)系統(tǒng)（CCD 或 CMOS）檢測(cè)。在基于發(fā)光壽命的方法中，存在兩種基本的測(cè)量類型：第一種是時(shí)域壽命方法，主要用于各種 PSP 應(yīng)用，這種方法使用脈沖光來激發(fā)涂料，并根據(jù)發(fā)光強(qiáng)度的衰減曲線確定與壓力相關(guān)的時(shí)間常數(shù)；第二種類型是頻域熒光壽命成像 (FLIM)，這種方法使用調(diào)制光來激發(fā)涂料，同時(shí)檢測(cè) PSP 發(fā)光以計(jì)算與壓力相關(guān)的相移或相幅度。…在本研究中，使用 pco.flim 相機(jī)和全新高功率調(diào)制光源進(jìn)一步研究了 FLIM-PSP 技術(shù)。

圖文節(jié)選（2）

B. pco.flim 相機(jī)

利用FLIM 技術(shù)搭配使用 pco.flim 相機(jī) (PCO AG) 從 PSP 獲取壓力分布，該相機(jī)具有像元內(nèi) dual tap以控制 CMOS 圖像傳感器、1008 × 1008 像素的分辨率和 14 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。pco.flim 相機(jī)能夠使用以下機(jī)制累積多次曝光圖像：CMOS 圖像傳感器由單個(gè)光電二極管和兩個(gè)電荷收集點(diǎn)組成，稱為 Tap A 和 Tap B，如圖 3 所示。傳感器可以選擇性地將光生電荷載流子引導(dǎo)到由外部信號(hào)（Tap 控制信號(hào)）觸發(fā)的相應(yīng)收集點(diǎn)中。當(dāng) Tap A 處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電荷載體被引導(dǎo)并累積到 Tap A 電荷桶中。然后切換控制信號(hào)，電荷載體漂移Tap B 電荷桶中。通過再次切換控制信號(hào)，重新開始在Tap A中累積電荷載流子。為了將此 CMOS 傳感器用于 FLIM-PSP 技術(shù)，需要考慮以下幾點(diǎn)：

1. 激發(fā)光調(diào)制和 Tap 控制信號(hào)使用相同的頻率。pco.flim 相機(jī)能夠輸出激發(fā)光的頻率主信號(hào)。

2. 分接控制信號(hào)的占空比設(shè)置為 50 %。這意味著 Tap A 和 B 具有相同的積分時(shí)間，即調(diào)制周期的一半。

3. 當(dāng)激發(fā)光調(diào)制到 Tap 控制信號(hào)的延遲為零時(shí)，Tap A在光調(diào)制的前半部分收集電荷載流子，而 Tap  B在光調(diào)制的后半部分收集電荷載流子。它們對(duì)應(yīng)于第 II.A 節(jié)中介紹的 I₁ 和 I₃ 的門控圖像。

4. 當(dāng)從光調(diào)制到 Tap 控制信號(hào)延遲四分之一周期時(shí)， Tap A和 B 得到的圖像分別對(duì)應(yīng) I₂ 和 I₄ 。

結(jié)果是，可以從同一圖像采集中獲得一組PSP圖像（I₁，I₃）或（I₂，I₄）。由于 Tap  A 和 B 的特性不同，附加圖像集中半個(gè)周期的延遲（ Tap  A 中的 I₃， Tap  B 中的 I₁）和四分之三周期的延遲（ Tap  A 中的 I₄， Tap  B 中的 I₂）被采集以進(jìn)行 Tap 校正。***，每個(gè)門控圖像是通過所有圖像的總和獲得的，例如I₁ = I_1,tapA + I_1,tapB。

圖文節(jié)選（3）

圖 3. (a) 顯示了入射到圖像傳感器一個(gè)像元上的光隨時(shí)間變化的正弦調(diào)制波形。電荷載流子（電子）通過吸收光電二極管中的光而產(chǎn)生，并被引導(dǎo)到兩個(gè)電荷桶之一，稱為Tap A 和 Tap B (d)。通過施加（b）中所示的電壓波形交替選擇tap。Tap  A 控制電壓（藍(lán)色曲線）的矩形調(diào)制與Tap B（紅色曲線）相反。

圖文節(jié)選（4）

圖 8. 通過 FLIM-PSP 技術(shù)獲得的壓力分布圖。

關(guān)于pco.flim

pco.flim相機(jī)系統(tǒng)是第一種采用Two-Tap CMOS成像芯片的熒光壽命成像相機(jī)。相機(jī)的像素和激發(fā)光間的同步使100皮秒至100微秒間的熒光衰減時(shí)間的分析成為可能。在1008 x 1008像素分辨率上，pco.flim**多可以讀取45個(gè)雙幀/秒，且可支持5 kHz – 40 MHz頻率范圍的調(diào)制。

基本參數(shù)：

• pco.flim激光器作為落射熒光測(cè)量的光源

• 可選擇的激光波長和輸出功率

• 100 ps到100 μs的壽命測(cè)量

• 調(diào)制頻率從5千赫茲到40兆赫

• 500千赫茲到40兆赫外部調(diào)制信號(hào)

• 正弦/矩形的調(diào)制信號(hào)波形

• 像素分辨率1008 x 1008

• 頻域FLIM

• USB 3.0接口

• 量子效率39 %

• 動(dòng)態(tài)范圍1000:1

• 45 雙幀/秒 (2 tap讀出)

• 可選曝光時(shí)間為1 ms到2 s

• 無振動(dòng)水冷

• 特殊的測(cè)量與分析軟件

【關(guān)于埃賽力達(dá)科技Excelitas Technologies Corp.】

埃賽力達(dá)是一家技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富供應(yīng)商，致力于提供先進(jìn)的、改善生活的革新技術(shù)，為生命科學(xué)、先進(jìn)工業(yè)、新一代半導(dǎo)體、航空航天等各終端市場的全球企業(yè)提供服務(wù)。公司總部位于美國賓夕法尼亞州匹茲堡。埃賽力達(dá)是光子技術(shù)設(shè)計(jì)、開發(fā)和制造領(lǐng)域的重要合作伙伴，為全球客戶提供傳感、檢測(cè)、成像、光學(xué)和特種光源方面的前沿創(chuàng)新技術(shù)。

廣州市元奧儀器有限公司作為埃賽力達(dá)在國內(nèi)的一級(jí)代理商，根據(jù)用戶的不同需求提供具備高性能、高質(zhì)量的產(chǎn)品，為客戶提供專業(yè)的方案，歡迎咨詢！

【關(guān)于元奧儀器】

廣州市元奧儀器有限公司成立于2007年，是一家專注于圖像成像與處理技術(shù)領(lǐng)域的科技型企業(yè)。

公司自成立以來，致力于引進(jìn)歐、美先進(jìn)光電相關(guān)領(lǐng)域的儀器設(shè)備，并為客戶提供專業(yè)綜合系統(tǒng)集成服務(wù)，是國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)豐富的服務(wù)商。經(jīng)過多年的發(fā)展，元奧儀器已構(gòu)建涉及面較廣的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，國內(nèi)總部設(shè)立在廣州，同時(shí)在北京、上海、西安、武漢、長春等地設(shè)有辦事處，能夠高效響應(yīng)全國各地客戶的需求。

元奧儀器憑借深厚的行業(yè)資源與專業(yè)能力，成為眾多國際品牌產(chǎn)品的中國代理商，代理產(chǎn)品涵蓋了從高速攝像機(jī)、工業(yè)相機(jī)到顯微鏡數(shù)字相機(jī)、專業(yè)圖像分析系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域，并根據(jù)市場需求進(jìn)行知識(shí)轉(zhuǎn)化，投入自主研發(fā)， 為客戶提供質(zhì)量優(yōu)異，可靠可信的產(chǎn)品。目前我司的這些產(chǎn)品普及應(yīng)用于各大學(xué)院校、中國科學(xué)院所屬各研究所、工業(yè)企業(yè)、機(jī)械工業(yè)等各個(gè)行業(yè)，助力客戶解決復(fù)雜的視覺系統(tǒng)難題，提供高性能的產(chǎn)品和完善的解決方案。以其高分辨率的成像質(zhì)量和性能，在科研領(lǐng)域備受贊。 

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