条纹相机参数带你挨个看

各位看官，还记得之前文章里面提到的产品条纹相机吗？相信已经有不少看官对条纹相机产生了浓厚的兴趣并且主动了解了条纹相机的原理等信息。

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近两年咨询条纹相机的客户越来越多，对于条纹相机彩页上的各种参数有时候会比较懵，更别提如何选择合适自己实验室的配置了。鉴于这种情况，小编决定手把手帮助大家理解条纹相机彩页里面各个参数都是什么含义，这次给各位看官带来条纹相机的参数详解。

条纹相机工作原理

条纹相机系统作为超快时间分辨测量的专用设备，可以在一次测量中分别得到波长、时间以及强度的三维信息。其原理如下图所示：

条纹相机原理图

被测光通过狭缝，在条纹管的光阴极面上形成狭缝图像。此时，入射的四个光脉冲分别在时间、空间以及强度上略有变化。四个光脉冲入射至光阴极面上，依次转换成与光强度成正比的电子束，再通过加速电极，轰击条纹管末端的荧光屏。

当电子束通过加速电极后，在与入射光同步时序的情况下向扫描电极施加高压（参见条纹相机原理图）。这将启动扫描电极的高速扫描（电子从上到下扫描）。在高速扫描过程中，到达时间略有不同的电子束在垂直方向上偏转的角度略有不同，并进入MCP（微通道板）。当电子通过MCP时，它们会倍增数千次，然后撞击到荧光屏上，然后再次转换为光。

在荧光屏上，最 早的光脉冲相对应的荧光图像在最 上方，其他图像从上到下依次排列，将时间的分辨通过垂直坐标的位置不同来区分。同时，荧光屏的亮度会与入射光强度呈正比，荧光屏水平方向上的位置对应于入射光的水平位置。至此，四个光脉冲的时间、强度以及空间信息均得到测量和显示。

为了使用条纹相机测量超高速光学现象，触发部分和读出部分是必需的。该系统的基本配置如下所示。

为了使被测量的光到达条纹相机的时间和条纹扫描工作的时间同步，必须要调整触发部分以控制时序。我们使用了一个延迟单元以及一个分频器，延迟单元用于控制启动条纹扫描的触发信号延迟多长时间，如果触发信号的重复频率太高，分频器则会分频外部触发信号的频率。在激光等设备不能产生触发信号的情况下，必须从被测光本身产生触发信号，这需要一个高速光电二极管。

读出部分读取并分析荧光屏上产生的条纹图像，荧光屏位于条纹相机的输出端。由于条纹图像微弱，瞬间消失，因此使用了高感光度相机。条纹图像的分析是通过图像采集板将图像传输到计算机来完成的。除了构成此基本配置的单元外，还有分光镜、光学器件和其他外围附件，可根据不同需求进行搭配使用。

条纹相机基础配置

在复习完原理以及基本配置后，我们进入这篇文章的主题内容，了解一些条纹相机的经常出现的参数，包括时间分辨率、空间分辨率、波长范围、动态范围、扫描方式、重复频率、触发延迟、触发抖动、读出方式等等。

时间分辨率

时间分辨率（Temporal Resolution）：定义是整个条纹相机系统仪器响应函数的半高宽（FWHM），可以认为是条纹相机系统能够测得最 窄条纹的半高宽。在实际测试中，可以用fs量级脉宽的激光作为待测信号，用条纹相机系统进行测试，得到的最 优结果，为条纹相机系统的时间分辨率。

通常情况客户会以时间分辨率作为条纹相机系统最 重要的指标，实际上条纹相机的时间分辨率对于客户来说，应该是满足客户需求就行。越高的时间分辨率代表条纹相机能够在超快现象发生的时候提供更精细的光谱/图像信息，但是越高的时间分辨率代表其检测的时间窗口越小，比如1 ps的时间分辨，整个时间窗口仅100 ps左右，很多客户应用的超快现象远高于100 ps，因此需要客户根据自己的应用选取合适的配置。

条纹相机时间分辨率示意图

空间分辨率

空间分辨率（Spatial Resolution）：定义为图像上能够详细区分的最 小单元的尺寸或大小。条纹相机的空间分辨率主要是指沿时间轴方向的空间分辨率，通常用单位长度内包含可分辨的黑白“线对”数表示（线对/毫米，lp/mm）。在实际测试中，可以用分辨力标准板进行测试。

时间轴方向空间分辨率会影响时间分辨率，如果在条纹相机前端加光谱仪或者反射镜等光路装置，分光以及光程差会影响空间分辨率，从而影响时间分辨率。

USAF1951分辨率板

波长范围

波长范围（Spectral Response）：定义为条纹相机光阴极面能够响应的波长范围。通常条纹相机的波长范围由条纹管的光阴极面材料决定。以C10910型号条纹相机为例，五种光阴极材料分别对应五种波长范围：S-20（200 nm-850 nm），S-1（300 nm-1600 nm），S-20MgF2（115 nm-850 nm），S-25（280 nm-920 nm），S-20ER（200 nm-900 nm）。波长范围也是根据客户的应用来选择，不同的光阴极材料会影响条纹相机的时间分辨率以及灵敏度。

5种光阴极材料的相应光谱

动态范围

动态范围（Dynamic Range）：滨松对条纹相机动态范围的定义为实际可以测量的最弱脉冲，而不是传统上用于定义动态范围的噪声电平，可以用于评价条纹相机测量的光强度范围。即将输入/输出线性度（γ=1）范围内的最 强脉冲与最弱脉冲之比作为动态范围。一般来说，随着时间分辨率的提高，动态范围有降低的趋势。

条纹相机动态范围的深入解读：当脉冲光施加到条纹管上并逐渐增加其强度时，要测量的脉冲宽度会变宽。这种现象被称为条纹管的时间分辨率的强度依赖性，并且被认为是由空间电荷密度的影响引起的。条纹相机的动态范围由时间分辨率的这种强度依赖性定义。由于强度依赖性，条纹相机的动态范围通常被定义为脉冲宽度扩展的强度与条纹相机时间读出系统的噪声强度的比。然而根据这个定义，当系统增益足以检测单个光电子时，系统对单个光电子的输出变得大于读出系统的噪声水平，因此实际用最弱脉冲替代噪声强度有比较大的意义。

C13410的动态范围

动态范围图示

扫描方式

扫描方式（Sweep Method）：条纹相机实现Y轴空间和时间的转变，是基于条纹管Y轴方向扫描电压的变化，扫描方式指的是条纹相机Y轴方向以何种方式进行电压的扫描。通常条纹相机Y轴方向的电压扫描方式有两种：单次扫描（single scan）和同步扫描（synchroscan）。单次扫描是指条纹相机收到触发信号以后开始进行一次线性的由高压到低压的扫描，扫描结束后，再重新进行偏转电极的充电以等待下一次触发。上文中条纹相机的原理图里就是单次扫描的时序图。

单次扫描

单次扫描允许条纹相机进行单次采集或者累计采集，但是其缺点是有最 大重频的限制以及触发抖动较大。而同步扫描方式可以克服最 大重频的限制以及触发抖动大的问题。

同步扫描是指条纹相机收到触发信号开始进行一次正弦周期的扫描，其中取正弦周期中较为线性的小部分作为条纹相机的工作区域。其扫描方式是呈正弦波形。同步扫描内置了谐振器，可以精确匹配比如飞秒激光器等振荡级的高重频脉冲信号，实现几乎0触发抖动。

两种扫描方式示意图

同步扫描虽然可以极大减少触发抖动引起的分辨率展宽，但是也会存在以下几个问题：同步扫描的频率比较固定，通常由激光器决定，可调整的空间非常小；同步扫描的最 大扫描时间窗口有限，仅为2 ns；最后同步扫描无法进行单次测量。

基于以上介绍，单次扫描和同步扫描均有各自的优缺点，因此客户需要根据自己的应用来合理选择两种扫描方式。为了方便客户对比，小编列了以下表格，进行参考：

单次扫描和同步扫描的对比

P.S.：扫描时间窗口（Sweep Time）即完成一次电压由高压到低压的扫描所需要时间，也即条纹相机单次扫描的工作时间。由于不同的时间窗口对应的输出单元像素数是一样的，因此时间窗口越短，对应的时间分辨率越高。

重复频率（Repetition Frequency）即触发信号重复频率，一般飞秒激光器典型的振荡级重频有80 Mhz、76 Mhz等，再经过放大级以后会到千hz甚至百hz，不同的重频对应的条纹相机配置不同。

触发延迟

_{触发延迟（Trigger Delay）：为了在条纹管后端的荧光屏中心获得条纹图像，触发信号必须比入射光更早到达狭缝。触发延迟用于实现这种时序差异。客户可以通过调整光路或者触发延迟单元进行粗调以及精调触发延迟的目的。}

触发抖动

触发抖动（Trigger Jitter）：检测需要积累的信号时。由于扫描电路的操作时序和其他因素，两两单次扫描的结果会出现结果不稳定的情况（在时间轴上的现象就是条纹忽高忽低在波动）。这种不稳定称为触发抖动，是限制系统时间分辨率的一个因素。触发抖动由单个脉冲的 FWHM 与脉冲相加时的 FWHM 之差决定。

触发抖动对积分结果的影响

记录/采集方式

记录方式/采集方式（Record Mode/ Acquisition Mode）：条纹相机通常有两种记录数据的方式：“模拟模式”和“光子计数模式”。模拟模式，即简单的将打在荧光屏上的信号进行累加，输出给电脑的方式，无需再前进额外的数据处理。光子计数模式，需要甄别每一个单光子，低于一定阈值（Threshold Value）则认定为噪声信号进行去除，高于一定阈值认为是待测信号，进行计数。

光子计数模式的原理

模拟方式和计数方式的对比

噪声

噪声（Noise）：条纹相机的噪声来源大致有散粒噪声、CCD噪声以及光阴极面暗电流。其中，散粒噪声无法避免、CCD噪声与光子计数模式无关、光阴极面暗电流的噪声通常非常小（典型的S-20光阴极面暗电流200 e-/s，如果是50 ns的时间窗口，一次扫描平均仅包含5-10 e-）。

门控

门控（Gate）：如果待测光信号前后的光信号进入条纹相机，该信号产生的光电子会在条纹管内发生散射和倍增，从而导致条纹图像上出现光学噪声，降低结果的信噪比。为了防止这个问题，条纹相机配备了一个阴极门控，用于阻止在光阴极上产生的光电子，以及一个 MCP 门控，用于阻止电子在 MCP 中倍增。门控消光比（Gate Extinction Rate）：定义为门控打开和关闭时荧光屏亮度与随时间恒定的入射光的比率。

MCP门：通过施加决定 MCP增益的电压来减少干扰光。

光电阴极门：通过在光阴极和加速电极之间施加电压来减少干扰光。

正常模式（正常模式）：当使用单次扫描条纹单元时，这会在返回扫描期间阻挡光线。

正常模式的时序图

门控模式（门控模式）：使用单次扫描条纹单元时，接收到门控触发时门打开，扫描完成后门关闭。

门控模式的时序图

外部触发（外部触发模式）：当使用单次扫描条纹单元或同步扫描条纹单元时，门会根据从门触发连接器输入的脉冲打开和关闭。

外部触发模式的时序图

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