逐光2DSPC單光子相機(jī)
逐光2DSPC單光子相機(jī)
單光子計(jì)數(shù)相機(jī)
國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)的逐光2DSPC（2D Single Photon Counting Camera）單光子計(jì)數(shù)相機(jī)是一種能夠準(zhǔn)確識(shí)別單個(gè)光子的二維成像探測(cè)器。
逐光2DSPC單光子相機(jī)不僅有170萬(wàn)像素的二維陣列，還有皮秒級(jí)高速電子快門(mén)及皮秒級(jí)高精度時(shí)序控制，可以通過(guò)同步觸發(fā)捕獲精準(zhǔn)時(shí)刻的光子信號(hào)。另外借助實(shí)時(shí)光子識(shí)別算法，完全去除電子學(xué)帶來(lái)的讀出噪聲及暗噪聲；大幅提升光子計(jì)數(shù)光譜或成像時(shí)的采集速度，最終獲得高信噪比光子空間分布信息。
1.1 產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)
1.1.1 170萬(wàn)像素陣列單光子計(jì)數(shù)采集
單光子計(jì)數(shù)模式是2DSPC單光子相機(jī)的一種特殊工作模式。在單光子計(jì)數(shù)模式下，相機(jī)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行一個(gè)實(shí)時(shí)光子識(shí)別算法，該算法可以將每一幀圖像中經(jīng)過(guò)像增強(qiáng)器放大后的光子信號(hào)和相機(jī)本身的噪聲信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和區(qū)分，并完全去除電子學(xué)帶來(lái)的讀出噪聲及暗噪聲；每一幀圖像中檢測(cè)到單光子信號(hào)的像素點(diǎn)在寄存器記為1，其他像素記為0，通過(guò)積分時(shí)間的設(shè)定進(jìn)行多幀累加，最終獲得高信噪比光子空間分布信息的二維圖像，通過(guò)縱向累加或ROI，即可得到真正零噪聲光譜。該工作模式適用于單光子級(jí)較弱信號(hào)的收集。
1.1.2 零噪聲探測(cè)技術(shù)
在微弱信號(hào)采集應(yīng)用中，sCMOS相機(jī)本身的噪聲對(duì)信噪比會(huì)產(chǎn)生顯著影響。而本單光子相機(jī)軟件中獨(dú)特的零噪聲模式，可真正意義上完全消除sCMOS本身的噪聲，讓圖像背景更干凈，信噪比更高，在弱信號(hào)采集場(chǎng)景下表現(xiàn)更出色；在光譜應(yīng)用場(chǎng)景中，光譜基線幾乎為0。
這種零噪聲模式充分利用了熒光屏發(fā)光的物理特性，通過(guò)區(qū)分圖像中技術(shù)的來(lái)源（是來(lái)自熒光屏還是sCMOS本身），從而僅保留來(lái)自熒光屏的計(jì)數(shù)。通過(guò)這種方式，sCMOS本身的噪聲可以被完全消除，從而進(jìn)一步提高了信噪比。
從上圖對(duì)比可看出，在未啟動(dòng)“零噪聲探測(cè)”模式時(shí)，圖像中存在很多單像素級(jí)結(jié)構(gòu)（紅色圈標(biāo)識(shí)的部分）；但在啟動(dòng)“零噪聲探測(cè)”模式后，圖像中幾乎看不見(jiàn)類(lèi)似單像素結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出來(lái)的都是團(tuán)狀結(jié)構(gòu)（綠色圈標(biāo)識(shí)的部分）。
上圖為采用單光子計(jì)數(shù)模式拍攝532nm激光與氦氣放電相互作用中湯姆遜散射光譜，拍攝參數(shù)：門(mén)寬-20ns，MCP增益-3700，觸發(fā)模式-外觸發(fā)Burst（10Hz），曝光時(shí)間-100ms，采集模式-單光子模式，疊加張數(shù)-6000張。
上圖為普通門(mén)控模式拍攝的532nm激光與氦氣放電相互作用中湯姆遜散射光譜，相比于單光子計(jì)數(shù)模式，噪聲高很多。
上圖為采用單光子計(jì)數(shù)模式采集液化丁烷氣燃燒的拉曼光譜，去除了sCMOS探測(cè)器的噪聲，光譜基線幾乎為0，即使是個(gè)位數(shù)的光子信號(hào)也能明顯的展示在拉曼譜線上，同時(shí)拉曼譜線強(qiáng)度就是光子數(shù)量，直觀表達(dá)了信號(hào)的強(qiáng)度。
1.1.3 高空間分辨率
單光子識(shí)別時(shí)，得益于精確的光學(xué)質(zhì)心算法，空間分辨率及對(duì)比度大幅提升。
1.1.4 500ps光學(xué)快門(mén)
以皮秒精度捕捉瞬態(tài)現(xiàn)象，并大幅降低背景噪聲；在瞬態(tài)吸收熒光光譜應(yīng)用場(chǎng)景，可獲得更高的時(shí)間分辨率。在門(mén)控拉曼光譜采集應(yīng)用場(chǎng)景，抑制熒光和背景光能力更加卓越。
1.1.5 高達(dá)500KHz快門(mén)重復(fù)頻率
- 更高的快門(mén)開(kāi)光工作頻率，更高效的實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)采集；
- 在片上積分（模式下，一次CMOS曝光時(shí)間內(nèi)可支持更多的“Burst”累積，有效提高信噪比；
- 在激光誘導(dǎo)熒光光譜采集應(yīng)用場(chǎng)景下，可同步更高頻率的激發(fā)光源，提高光譜信號(hào)激發(fā)和采集效率；
- 在量子關(guān)聯(lián)成像應(yīng)用場(chǎng)景下，更高的快門(mén)工作頻率可適應(yīng)更高的光子發(fā)生率，從而獲取更豐富的成像信息，更快實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)成像。
1.1.6 Hi-QE及GaAs光陰極
- Hi-QE UV、Hi-QE Blue、Hi-QE Green光陰極，量子效率高達(dá)30%，且暗計(jì)數(shù)僅為50cps/cm2，非常適合Yb+，Cd+，Ca+等離子阱熒光成像；
- 超寬光譜響應(yīng)HotS20光陰極，光譜范圍：200-900nm，峰值量子效率達(dá)16%；
- 第三代GaAs光陰極，在600-750nm光譜范圍內(nèi)，峰值量子效率高達(dá)35%，非常適合810nm自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換、單光子源空間分布測(cè)量、量子關(guān)聯(lián)成像、量子疊加態(tài)、量子糾纏態(tài)成像等量子光學(xué)研究。
1.2 技術(shù)參數(shù)
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波段范圍 |
200nm-920nm（取決于光陰極類(lèi)型） |
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成像分辨率 |
1600*1088，9μm像素 |
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最短曝光時(shí)間 |
U:500ps；F:3ns；SG:50ns |
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有效探測(cè)面積 |
14.4mm*9.79mm |
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采集速率 |
>98fps@1600*1088，>200fps@1600*500 |
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時(shí)序控制 |
0-10s，10ps步進(jìn)，抖動(dòng)<35ps |
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快門(mén)重復(fù)頻率 |
連續(xù)-10KHz（500ps）；連續(xù)-300KHz，5MHz@Burst（3ns，50ns） |
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同步觸發(fā)輸出 |
A、B、C三通道；輸出幅值5V，內(nèi)阻50Ω；輸出脈沖寬度2ns-10s，最小調(diào)整步距10ps |
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通訊接口 |
USB3.0 |
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門(mén)控模式 |
光子累計(jì)成像 |
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總暗計(jì)數(shù) |
10-4-10-2count/s 1KHz，10ns gate |
200-20,000 count/s |
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暗計(jì)數(shù) |
10-10-10-8count/s/pixel 1KHz，10ns gate |
0.00012-0.012count/s/pixel |
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鏡頭接口 |
C-Mount/F-Mount（內(nèi)置25mm濾光片支架） |
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像增強(qiáng)器 |
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光陰極 |
GaAs |
HotS20 |
Hi-QE Blue |
Hi-QE UV |
Solar Blind |
Hi-QE Green |
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量子 效率 |
>33%@600-850nm |
>16%@510nm |
>30%@250-400nm |
>27%@200-400nm |
>21%@260nm |
>30%@400-480nm |
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等效背景噪聲(EBI) |
<0.25ulx |
<0.05ulx |
<0.05ulx |
<0.05ulx |
<0.05ulx |
<0.05ulx |
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波段 范圍 |
400nm-920nm |
200nm-900nm |
185-700nm |
185nm-730nm |
200nm-325nm |
320nm-700nm |
1.3 應(yīng)用
1.4 選型
1.5 安裝尺寸
