[论文解读] Compressive Raman microspectroscopy parallelized by single-photon avalanche diode arrays

Clémence Gentner, Samuel Burri+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2023

Spectroscopy Techniques in Biomedical and Chemical Research被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种压缩式拉曼显微光谱系统，利用512像素的LinoSPAD2单光子雪崩二极管阵列实现并行检测，将有效像素积分时间降低至23 µs，相比以往的单像素方法实现了10倍以上的速度提升。通过结合线扫描照明与基于DMD的可编程光谱滤波，以及高Throughput的SPAD阵列，该方法实现了低噪声、可扩展的实时高速化学成像，为视频速率的自发拉曼成像铺平了道路。

ABSTRACT

We demonstrate an efficient and scalable compressive Raman parallelization scheme based on single-photon avalanche diode (SPAD) arrays to reach pixel dwell times of 23 $μ$s, representing over 10$ imes$ speed-up using the otherwise weak spontaneous Raman effect.

研究动机与目标

• 克服由于自发拉曼散射微弱而导致的传统拉曼显微光谱的根本性速度限制。
• 通过引入SPAD阵列实现空间并行化，解决压缩式拉曼检测中单像素检测的瓶颈问题。
• 利用低光、低噪声的SPAD技术，实现最小噪声和高灵敏度的实时高速高光谱成像。
• 通过调控点扩散函数（PSF）并管理DMD色散，最小化光谱串扰，优化信号保真度。
• 展示一种可扩展、成本低廉的平台，适用于生物与材料科学中视频速率、无标记的化学成像。

提出的方法

• 采用基于数字微镜器件（DMD）的可编程光谱仪，将特定光谱波段路由至单像素SPAD，实现高光谱数据的压缩感知。
• 集成高Throughput的512像素LinoSPAD2线性阵列，通过定制FPGA板实现1:1直接读出，实现空间像素的并行检测。
• 采用90 µm宽的线扫描照明，通过20×物镜（NA 0.5）聚焦激发样品，利用30 µm狭缝实现一维共聚焦检测，以限制背景噪声。
• 采用一维扫描平台，逐行扫描激发光斑，以可调的线积分时间（τldt）逐行采集数据。
• 优化光谱仪的点扩散函数（PSF），以最小化像素间光谱串扰，实现数十µm量级的PSF，有效匹配SPAD像素。
• 采用频域高斯平滑进行去噪，并利用监督式压缩拉曼算法从压缩光谱测量中重建三维化学图像（x, y, z）。

Figure 1 : Parallelized compressive Raman microspectroscopy. The line-shaped laser light is focused on the sample and imaged onto the grating of the spectrometer, defining the $N_{\lambda}$ wavelength bins on the DMD. The dimension along the excitation line on the DMD parallelizes the detection of $

实验结果

研究问题

• RQ1 与单像素检测相比，使用SPAD阵列实现空间并行化是否能显著降低压缩式拉曼显微光谱中的像素积分时间？
• RQ2 DMD引起的光谱色散在多大程度上可被抑制，以实现高保真、低串扰的SPAD阵列检测？
• RQ3 采用高Throughput SPAD阵列的并行化压缩式拉曼系统，可实现的最小有效像素积分时间（τpdt）是多少？
• RQ4 SPAD阵列的探测效率（PDE）与单像素SPAD相比如何？通过光学增强可实现多大程度的性能提升？
• RQ5 该系统是否能仅使用低激发功率和标准激光源，实现自发拉曼显微光谱的视频速率成像？

主要发现

• 通过使用512像素LinoSPAD2阵列中的128像素子集，实现了23 µs的有效像素积分时间，相比以往单像素压缩拉曼系统提升了10倍。
• SPAD阵列的探测效率（PDE）达到7%，通过集成微透镜有望提升至20%，实现3倍灵敏度增益。
• 若使用全部512个SPAD像素而非128个，可实现额外4倍的采集速度提升；若同时利用DMD的两个输出，还可获得额外2倍速度提升。
• 通过工程设计，点扩散函数（PSF）保持稳定且紧凑（数十µm量级），显著降低了像素间光谱串扰，实现了阵列上高保真度的光谱检测。
• 在23 µs有效积分时间下，成功实现了水溶液中聚苯乙烯（6 µm）和PMMA（5 µm）微球的3D化学成像，经频域高斯平滑去噪后图像质量保持良好。
• 理论分析表明，进一步优化可将有效像素积分时间降低至20倍，接近探测器死时间的理论极限，从而实现真正的视频速率拉曼成像。

Figure 2 : Characterization of the programmable spectrometer. (Top panel) Available spectral detection efficiency (blue) is limited by SPAD pixel crosstalk (see thumbnails for images acquired at the SPAD plane with an auxiliary camera). Displacement of the spot center (orange) in the $X$ (dashed) an