2026年7月22日至25日，第八届多维多尺度成像技术及应用研讨会在宁夏银川召开。本届会议由中国科学院上海高等研究院上海光源科学中心与宁夏大学联合主办，围绕先进光源成像技术及应用展开交流，重点聚焦同步辐射、X射线自由电子激光、中子源等先进成像技术的发展，以及在材料科学、能源、生物医学、医药等领域的创新应用。

随着先进光源、显微光学和计算成像技术的发展，现代科学研究正在从传统二维结构观察逐步迈向多维多尺度、动态化表征，核心需求均指向更高时间分辨率、更低噪声、更高动态范围以及更强数据同步能力。

这一趋势下，探测器作为成像系统的信息入口，性能直接影响能否准确解析。对于高速动态过程、弱信号探测以及定量测量场景，传统CCD相机在读出速度、噪声控制、量子效率和同步采集能力面临限制，而科学级sCMOS相机凭借高量子效率、低读出噪声、大面阵和高速并行读出能力，正在成为多维多尺度成像系统中的关键探测单元。

1. 多维多尺度成像研究中的探测挑战

多维多尺度成像技术的发展，本质上是对空间尺度、时间尺度和信息维度的综合拓展。然而，随着实验对象从静态结构向动态机制转变，成像系统面临的挑战也更加复杂。

材料领域，同步辐射X射线成像已经能够实现微观结构、缺陷演化以及内部动力学行为的原位观测。这类研究需要成像系统在高能辐射环境下保持稳定的数据采集能力，同时兼顾高速动态变化与弱信号响应。生命科学领域，定量相位成像正在成为无标记活细胞研究的重要技术路径。该方法通过测量光程差变化，实现细胞折射率、光学厚度以及干质量分布的定量分析。然而，传统空间光干涉显微技术通常依赖多帧相移采集，需要通过连续曝光获得完整相位信息。当研究对象进入毫秒尺度动态变化过程时，多帧采集带来的时间错位会限制测量精度。

因此，当前多维多尺度成像领域的核心矛盾已经从“提高放大倍率”转向“如何在有限光子条件下，实现高速、低噪、同步、定量的数据获取”。探测器性能成为连接光学系统与科学数据之间的重要环节。

2. sCMOS相机：面向高速、弱光与定量成像的新型探测平台

针对多维多尺度成像对探测性能的需求，科学级sCMOS相机逐渐成为先进成像系统的重要组成部分。

较传统CCD相机，sCMOS相机采用大规模像素级并行读出结构，在保持高量子效率和低噪声特性的同时，实现更高的数据采集速率。技术优势主要体现在三个方面：

首先，高速并行读出能力使sCMOS能够适应快速动态过程观测需求。在需要捕获毫秒级甚至微秒级变化的实验中，高帧率不仅意味着更多图像数据，更意味着能够减少时间采样间隔，提高动态过程解析能力。

其次，低读出噪声和高量子效率提升了弱光信号探测能力。在同步辐射成像、荧光显微、干涉测量等应用中，实验信号往往受到光子数量限制，探测器噪声直接影响最终测量灵敏度。

第三，大面阵设计能够兼顾空间分辨率与实验效率。对于多窗口、多通道、多区域同步采集任务，大尺寸传感器能够减少系统复杂度，提高有效数据利用率。

在多维多尺度成像应用中，sCMOS相机已经由传统意义上的“图像记录设备”，转变为决定实验时间分辨率、测量灵敏度和数据可靠性的核心探测节点。

3. sCMOS相机助力并行四步相移定量相位成像，实现活细胞高速无标记观测

在定量相位成像领域，深圳大学科研团队针对传统SLIM系统多帧相移采集导致时间分辨率受限的问题，构建了基于单次曝光并行四步相移的SE-SLIM系统，并采用千眼狼（Revealer）Gloria 4.2 sCMOS相机（具备2048×2048像素分辨率、6.5 μm像元尺寸、135帧/秒全画幅采集能力、95% QE）作为核心采集单元，实现四通道相移信息的同步获取。

基于Gloria 4.2 sCMOS相机的单次曝光并行采集模式，使四幅相移图像处于同一时间基准，实现真正意义上的时间同步采样，从数据源头提高动态测量可靠性。实验结果显示，相比传统多帧采集方式，该方法将时间分辨率提升约4倍。

研究表明，在高速定量相位成像系统中，sCMOS相机不仅承担数据采集任务，更成为实现单次曝光相位恢复和动态细胞测量的关键技术节点。

图1-基于sCMOS相机单次曝光的并行四步相移采集机制。相较传统SLIM系统依次完成四次相移曝光，SE-SLIM利用sCMOS大面阵并行读出能力，在同一时间基准下同步获取0°、90°、180°和270°四通道干涉信息，将时间分辨率提升约4倍，并降低动态样品运动引起的相位重建误差。

4. sCMOS相机提升X射线闪烁体成像中的弱信号捕获能力

X射线闪烁体成像实验中，西光所研究人员利用sCMOS相机开展弱光信号采集，通过高速、高增益模式获取不同曝光时间下的成像结果。实验数据显示，在20 ms、10 ms、1 ms以及30 ms等不同曝光条件下，sCMOS相机均能够完成X射线闪烁体图像记录，并获得较高信噪比表现。

X射线闪烁体成像过程中，X射线首先通过闪烁体转换为可见光，再由相机完成光信号采集。由于转换后的光信号通常较弱，探测器的量子效率、读出噪声和高速采集能力直接影响最终图像质量。

sCMOS相机凭借低噪声、高灵敏度和高速读出优势，能够在较短曝光时间内保持有效信号采集能力，为同步辐射成像、高能辐射探测以及动态X射线成像等应用提供可靠的数据采集基础。

图2-sCMOS相机Gloria 6504用于X射线闪烁体成像，在高速高增益模式下分别以1 ms、10 ms、20 ms和30 ms曝光时间采集弱光图像，

5. 结语

多维多尺度成像技术的发展，本质上是科学研究从结构观察走向机制解析的过程。这一过程中，高性能探测器承担着连接实验现象与科学规律的重要角色。

千眼狼（Revealer）sCMOS相机通过高速并行读出、低噪声探测、高量子效率以及大面阵成像能力，为先进光源成像、显微成像和动态过程观测提供了新的技术路径，推动多尺度成像进入动态定量阶段。