弱光相干衍射成像新突破｜深视智能Solis系列实测：光功率剂量降低47 倍！

一、背景：  

相干衍射成像利用相干光自由传播的物理傅里叶变换特性，将样品的空间域信息转换为频率域衍射斑。由于相机仅能记录强度而丢失相位，需借助高线性度 sCMOS 采集高质量衍射图样，并通过引入先验约束的迭代算法求解逆问题，最终反演出样品的复振幅（振幅+相位），实现对低吸收样品的定量无透镜成像。在ptychography、CMI等相干衍射成像技术中，探测器灵敏度直接决定实验所需光子剂量。对于生物样品、量子光学、极弱光成像等应用，降低入射光功率既可减少样品损伤，也能拓展实验条件。

二、模式原理：

HDGB高动态范围模式：采用双读出链同步采集相同曝光时间、不同增益的图像。低增益通道满阱容量高，保留强光细节；高增益通道读出噪声低，捕捉暗部弱信号。通过像素级融合，在亮区优先使用低增益数据，暗区使用高增益数据，实现高动态范围成像。设计重点是兼顾弱信号灵敏度与强信号动态范围。

HDSS单光子模式：采用像素级高低增益双通道同步融合架构。高增益通道具有超高转换增益，将读出噪声压制至亚电子水平，具备单光子事件识别能力；低增益通道保全高光区域层次信息。该模式设计重点是提高弱信号可检测性，适用于极弱光成像场景。

三、试验设计：

近场ptychography：404.7nm平行光—1mm小孔—tissue/USAF样品—相机。探针1mm，步长0.1mm，范围1.2mm，1024×1024。曝光时间0.2ms（实验1）或0.1ms（实验2/3），峰值DN约58000。

远场ptychography：404.7nm平行光—小孔—物体—FFT lens—相机。USAF-3.5deg样品，30mm或45mm傅里叶透镜，曝光0.3ms或0.85ms，峰值DN约58000。

四：结果与讨论

1、近场试验

近场ptychography中，HDSS在约31–47倍更低功率下仍能获得可重构衍射数据。近场CMI中，HDSS在约44–47倍更低功率下仍可稳定重构，但部分结果质量略有下降。可能原因包括：单光子模式下杂散光被放大，对环境噪声更敏感；光源波动导致衍射图光子数减少；峰值DN相同并不能代表整体光子统计相同。近场CMI中，HDGB与HDSS的总积分值存在明显差异，进一步说明两种模式的强度响应不同。

HDGB 二值振幅

HDSS 二值振幅

HDGB 二值相位

HDSS 二值相位

2、远场试验

远场ptychography验证了HDSS的低功率优势：两组实验分别降低约34.2倍和27.2倍。采用45mm傅里叶透镜时，两种模式均可分辨3.10um结构。远场CMI中，HDSS在约27.2倍更低入射功率下仍能稳定恢复振幅和相位；2048数据中可分辨结构由HDGB的3.10um变为3.91um，1024数据中两种模式重构结构整体相近。

HDGB 二值振幅

HDSS 二值振幅

远场CMI

五、关键发现

（1）HDSS对杂散光和环境噪声更敏感 单光子模式下，杂散光同样会被放大。建议在使用HDSS时关闭环境光源，尽可能减少杂散光影响。

（2）光路配置与调制器标定影响CMI稳定性 30mm傅里叶透镜实验中，中心强峰与调制器标定误差使CMI难以收敛；更换45mm透镜后恢复效果明显改善。后续需优化调制器标定、中心动态范围和环境杂散光控制。

六、总结

深视智能 Solis B0555 sCMOS相机单光子模式显著提升了相干衍射成像的低剂量探测能力。对于极弱光成像、低剂量生物成像、量子光学等应用，HDSS可在保持可用重构质量的前提下大幅降低光源功率需求，为弱光相干衍射成像提供了更具竞争力的探测方案

在叠层 Ptychography、CMI 相干显微成像中，相位恢复算法高度依赖衍射强度信号的真实性：极低读出噪声捕捉微弱高级次衍射信息，优异线性响应保障定量可靠，大动态范围同时容纳强光零级斑与弱信号。 深视智能 Solis 系列科学相机，通过双通道融合读出架构，兼顾亚电子级低噪声、高线性响应与大动态范围。依托扎实硬件性能，可在更低入射光剂量条件下获得可重建衍射数据，缓解光敏样品光损伤，为相干计算成像提供国产探测方案。