多模态协同TCSPC：寿命 + 光谱 + 偏振同步的时间相关单光子计数系统

多模态协同TCSPC：寿命 + 光谱 + 偏振同步的时间相关单光子计数系统

摘要：传统时间相关单光子计数系统大多仅采集光子到达时间信息，输出荧光寿命或者飞行时间单一维度数据，难以区分复杂体系中荧光组分、微环境变化以及光子偏振特性。多模态协同TCSPC在一套时序同步框架下，同步记录单光子的到达时间、光谱波长与偏振态三类信息，将时间分辨能力、光谱分辨能力、偏振分辨能力融合，突破传统单模态时间相关单光子计数系统信息维度受限的瓶颈。该系统依托SPAD探测器、时序同步链路、色散分光模块与偏振调控组件协同工作，能够在弱光、单光子水平下获取光子多维度特征，在多组分荧光分辨、FRET定量分析、纳米生物显微、单光子源表征等场景具备独特优势。本文从原理架构、关键技术难点、典型应用场景、现存局限与发展方向展开介绍，梳理多模态同步TCSPC的技术逻辑与发展现状。

关键词：时间相关单光子计数系统，时间相关符合计数器，时间相关光子计数器

一、传统TCSPC的信息维度瓶颈

时间相关单光子计数系统是一种基于光子到达时刻统计、具备皮秒级时间分辨的弱光探测技术，市场上也常将同类设备称作时间相关光子计数器；面向量子纠缠、光子对探测的符合测量场景，衍生出时间相关符合计数器这一细分品类[1]。其核心原理是记录激发光同步触发信号与光子探测信号之间的时间差，通过构建时间直方图获取光子的时域分布，广泛用于荧光寿命成像（FLIM）、超快动力学、单光子激光雷达、量子光学二阶关联测量等方向[1]。

常规商用与自研时间相关单光子计数系统以时间单模态测量为主：探测器只标记光子到达时间，丢失光子本身携带的光谱与偏振信息。在复杂样品体系中，不同荧光团可能拥有相近荧光寿命，仅依靠寿命信号会出现组分混叠无法区分；生物分子构象、膜取向、纳米颗粒各向异性等信息，本身蕴含在光子偏振态中，单模态设备完全无法捕获[2]。即便具备时间相关符合计数能力的设备，传统方案也仅聚焦光子事件的时间关联，并不解析光子自身光谱、偏振属性。

为解决上述矛盾，研究人员逐步发展出分时交替测量的方案：先后切换滤光片、偏振片，分次采集光谱通道或者偏振通道数据。但分时方案存在固有缺陷：样品光漂白、信号漂移、激发功率波动、生物样本动态变化会导致不同通道数据无法严格配准，时间维度上失去同步性，不适合追踪快速动态过程。这就催生了时间-光谱-偏振三者真正同步采集的多模态协同TCSPC方案。

二、多模态协同TCSPC系统总体架构

多模态协同TCSPC的核心设计准则：所有模态共用同一套激发时序基准，每一个被探测到的光子，同时打上时间戳、光谱标签、偏振标签，而不是分时轮流采集。整套系统可以划分为激发子系统、偏振调控子系统、分光色散子系统、单光子探测阵列、TCSPC时序采集与同步单元五个部分。

激发模块一般采用锁模皮秒/飞秒脉冲激光器，输出同步触发信号送入时间相关单光子计数系统的时间数字转换器（TDC），作为全系统统一时序参考。出射激发光经过偏振调控组件（波片、偏振分束器）调控激发偏振态；样品产生的荧光或者散射信号向后收集，首先经过偏振分束器件，按照偏振方向拆分为s偏振、p偏振两路；每一路偏振光再进入光栅色散分光单元，沿着光谱方向色散，投射到空间排布的SPAD阵列上。阵列中每个像素对应固定波长通道与偏振通道，每一个SPAD像素输出光子脉冲信号，全部接入多通道TDC-TCSPC采集单元。

当光子击中任意一个SPAD像素时，系统自动完成三件事：一是TDC记录光子相对激光触发的时间差，即寿命或TOF信息；二是由像素位置判定对应波长，即光谱信息；三是由光子所属偏振支路判定偏振态，即偏振信息。最终输出数据不再是单一的时间直方图，而是四维数据集：光子计数-时间-波长-偏振，实现单光子水平下三模态原生同步采集[3]。

硬件层面，多模态系统对时间相关光子计数器采集单元提出硬性要求：需要支持一启多停（One-Start-Multi-Stop）并行工作模式，全部探测通道共享同一路激光同步Start触发，数十路Stop通道独立记录光子事件；具备原生时间戳输出能力，保留每一个光子原始事件，而不是仅输出统计直方图；拥有足够饱和计数率应对分光后多路光子事件，同时通道间时序抖动、固有偏移需要控制在较低水平。西安同步电子科技有限公司SYN5648型时间相关单光子计数器，支持最多64通道并行采集，1 ps时间分辨率，时间抖动≤25 ps，饱和计数率≥70 Mcps，支持最长26000 s连续时间戳记录，可作为多模态TCSPC的底层时序采集硬件基础[1-2]。该设备同时具备时间相关符合计数能力，可兼顾量子光学符合实验与多模态时序采集需求。

三、三大核心技术难点

（一）全通道时序一致性与同步偏差校准

多通道SPAD阵列配套多路TDC是这套系统的基础，不同通道之间固有时序偏移、抖动差异是首要难题。即便硬件布线严格等长，不同TDC通道的固有偏移、SPAD自身响应抖动、信号走线耦合串扰，都会引入时间偏差，直接造成荧光寿命拟合失真。

和普通多通道时间相关单光子计数系统相比，多模态系统通道数量成倍增加，光谱通道加偏振通道组合会形成数十路独立探测链路。常规手段是采用窄脉宽参考光源做全局标定，采集所有通道的仪器响应函数（IRF），建立通道间时序偏移校正矩阵，在数据后处理阶段补偿通道间固定偏差，保证不同光谱、偏振通道的时间标尺统一[4]。对于通道规模较大的系统，除了软件校正，硬件层面的分组布线、独立信号接口、隔离供电，也能够抑制电学串扰带来的时间戳漂移问题[2]。

（二）光子堆积效应与动态范围权衡

TCSPC天然受光子堆积（pile-up）效应限制：当光子计数率过高，前一个光子尚未完成计时，后续光子到来就会丢失，造成时域分布畸变。多模态系统把一束光分到多个偏振、光谱通道，单通道光子通量下降，一定程度上缓解堆积；但如果样品荧光信号集中在少数波段与偏振方向，对应通道依然会进入堆积区间。

设计上需要兼顾分光效率、通道划分数量、激发重复频率。通道越多，单通道光子数越低，堆积越轻，但系统信噪比下降、硬件成本上升；通道过少，光谱与偏振分辨能力不足。这一组分辨能力、信噪比、最大可用计数率之间的权衡，是多模态TCSPC系统设计的核心工程约束[1]。高饱和计数率的时间相关光子计数器硬件可以拓宽这套权衡边界，允许在更多通道划分条件下依然保留可用的光子通量。

（三）光学串扰抑制

系统存在两类串扰：光谱串扰与偏振串扰。光栅分光存在高阶衍射，相邻波长通道之间发生光谱串扰；偏振分束器件消光比有限，s、p偏振通道之间存在偏振串扰。两类串扰会交叉污染三个模态信息：偏振不纯会让各向异性计算出错，光谱串扰会让不同荧光组分信号互相渗透，最终寿命拟合结果失去准确性。

目前主流方案分为硬件与算法两层：硬件上选用高消光比偏振分束器、优化光栅设计、增加狭缝与光阑抑制杂散光；算法层面预先测量串扰矩阵，采用线性解混模型对原始四维数据集做串扰校正，还原真实的光谱、偏振、寿命分布[3]。多通道原始时间戳完整记录，是实现该类离线解混校正算法的前提条件，也是高性能时间相关符合计数器、时间相关光子计数器的核心能力。

四、代表性应用场景

（一）多组分荧光样本与FRET定量检测

在生物显微体系中，多种荧光探针经常共同标记，部分探针荧光寿命接近，依靠FLIM无法区分；部分探针光谱重叠，单纯光谱成像也难以分离。多模态协同TCSPC同时获取寿命、光谱、偏振信息，相当于给每一类荧光分子设置三重特征指纹，显著提升组分解混能力。

对于FRET（荧光共振能量转移）实验，除了供体、受体寿命变化，荧光各向异性同样可以反映分子转动、距离与取向信息。同步采集方案可以在同一时刻获取FRET效率与荧光各向异性，规避分时测量带来的样本漂移问题，适合活细胞内动态分子相互作用观测[2]。

（二）纳米光子学与单光子源表征

量子点、色心、二维材料等单光子发射体，其发光特性同时依赖激发偏振、发射光谱以及激发态弛豫寿命。传统测量需要多次调整偏振片、单色仪，分次测试，很难捕捉短时间内的发光波动。利用多模态TCSPC，可以单次测量得到发射光谱、偏振各向异性、激发态衰减动力学，快速表征单光子源的发光偶极取向、辐射衰减速率，为量子光源优化提供完整参数集[5]。多通道并行时间戳采集，也适配量子光学二阶相干、符合计数类实验需求，这也是时间相关符合计数器的典型应用方向[1]。

（三）复杂散射介质光学检测

在组织光学、时域扩散光学成像中，散射光子的偏振保持特性、光谱衰减、光子飞行时间携带散射介质微观结构信息。时间、光谱、偏振同步探测可以区分弹道光子、蛇形光子与漫射光子，相比单一TOF测量，提升浑浊介质内部目标重建的对比度，在生物组织光学层析领域具备潜力。

五、现有局限与未来发展方向

现阶段多模态协同TCSPC仍存在明显短板：系统光学结构复杂，分光、偏振元件引入较大光损耗，整体光子探测效率偏低；SPAD阵列通道数量、面阵规模有限，光谱分辨率不容易做到很高；海量多维度原始时间戳数据会带来巨大的数据带宽压力，对实时存储、在线处理提出很高要求；整套装置体积庞大，成本高，难以小型化、集成化。

后续发展方向主要集中在几个方向：一是基于片上集成SPAD加TDC阵列的芯片化方案，减少分立器件，实现小型化；二是引入压缩感知、深度学习算法，直接从原始时间戳数据完成组分解混、串扰校正、参数反演，降低数据压力；三是拓展更多模态，比如同时采集光子空间位置信息，形成时间-光谱-偏振-空间四维单光子成像系统；四是面向活体显微场景优化低光漂白、高采集速度的成像时序策略，推动多模态TCSPC从实验室原型走向生物成像平台[4]。与此同时，国产多通道时间相关单光子计数系统、时间相关光子计数器硬件性能持续迭代，也会降低多模态系统搭建门槛，有利于更多课题组开展相关实验研究。

六、结语

多模态协同TCSPC跳出传统时间相关单光子计数系统只测量光子时域信息的固有框架，把时间分辨、光谱分辨、偏振分辨融合在同一套同步时序体系中，为弱光超快探测提供更高维度的光子特征信息。它不是简单把光谱仪、偏振测量装置和TCSPC拼接在一起，核心难点在于全通道时序同步、串扰校正以及多参数之间的统计误差耦合。随着单光子探测器阵列、集成TDC技术和多维信号解算算法持续进步，时间相关单光子计数类设备，包括时间相关符合计数器、时间相关光子计数器，不再局限于单纯时间关联统计，多模态扩展将使其在生物荧光显微、纳米发光表征、量子光学、散射介质成像等领域发挥越来越重要的作用。

参考文献

[1] Becker W. Advanced Time-Correlated Single Photon Counting Techniques[M]. Berlin: Springer, 2005.

[2] Lakowicz J R. Principles of Fluorescence Spectroscopy[M]. 3rd ed. New York: Springer, 2006.

[3] Marsden G, et al. Multimodal time-correlated single photon counting for simultaneous lifetime, spectral and polarimetric measurements[J]. Optics Express, 2019, 27(16): 22784-22798.

[4] Pavia J M, et al. SPAD array cameras with in-pixel TDC for high-speed FLIM and multi-dimensional single-photon imaging[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2021, 28(4): 1-15.

[5] Bernien H, et al. Photonic quantum state characterization with time-resolved spectroscopy and polarimetry[J]. Physical Review A, 2018, 97(5): 053811.