逐光2DSPC單光子相機
逐光2DSPC單光子相機
單光子計數相機
國產自主研發的逐光2DSPC（2D Single Photon Counting Camera）單光子計數相機是一種能夠準確識別單個光子的二維成像探測器。
逐光2DSPC單光子相機不僅有170萬像素的二維陣列，還有皮秒級高速電子快門及皮秒級高精度時序控制，可以通過同步觸發捕獲精準時刻的光子信號。另外借助實時光子識別算法，完全去除電子學帶來的讀出噪聲及暗噪聲；大幅提升光子計數光譜或成像時的采集速度，最終獲得高信噪比光子空間分布信息。
1.1 產品優勢
1.1.1 170萬像素陣列單光子計數采集
單光子計數模式是2DSPC單光子相機的一種特殊工作模式。在單光子計數模式下，相機會自動運行一個實時光子識別算法，該算法可以將每一幀圖像中經過像增強器放大后的光子信號和相機本身的噪聲信號進行識別和區分，并完全去除電子學帶來的讀出噪聲及暗噪聲；每一幀圖像中檢測到單光子信號的像素點在寄存器記為1，其他像素記為0，通過積分時間的設定進行多幀累加，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較弱信號的收集。
1.1.2 零噪聲探測技術
在微弱信號采集應用中，sCMOS相機本身的噪聲對信噪比會產生顯著影響。而本單光子相機軟件中獨特的零噪聲模式，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，在弱信號采集場景下表現更出色；在光譜應用場景中，光譜基線幾乎為0。
這種零噪聲模式充分利用了熒光屏發光的物理特性，通過區分圖像中技術的來源（是來自熒光屏還是sCMOS本身），從而僅保留來自熒光屏的計數。通過這種方式，sCMOS本身的噪聲可以被完全消除，從而進一步提高了信噪比。
從上圖對比可看出，在未啟動“零噪聲探測”模式時，圖像中存在很多單像素級結構（紅色圈標識的部分）；但在啟動“零噪聲探測”模式后，圖像中幾乎看不見類似單像素結構，呈現出來的都是團狀結構（綠色圈標識的部分）。
上圖為采用單光子計數模式拍攝532nm激光與氦氣放電相互作用中湯姆遜散射光譜，拍攝參數：門寬-20ns，MCP增益-3700，觸發模式-外觸發Burst（10Hz），曝光時間-100ms，采集模式-單光子模式，疊加張數-6000張。
上圖為普通門控模式拍攝的532nm激光與氦氣放電相互作用中湯姆遜散射光譜，相比于單光子計數模式，噪聲高很多。
上圖為采用單光子計數模式采集液化丁烷氣燃燒的拉曼光譜，去除了sCMOS探測器的噪聲，光譜基線幾乎為0，即使是個位數的光子信號也能明顯的展示在拉曼譜線上，同時拉曼譜線強度就是光子數量，直觀表達了信號的強度。
1.1.3 高空間分辨率
單光子識別時，得益于精確的光學質心算法，空間分辨率及對比度大幅提升。
1.1.4 500ps光學快門
以皮秒精度捕捉瞬態現象，并大幅降低背景噪聲；在瞬態吸收熒光光譜應用場景，可獲得更高的時間分辨率。在門控拉曼光譜采集應用場景，抑制熒光和背景光能力更加卓越。
1.1.5 高達500KHz快門重復頻率
- 更高的快門開光工作頻率，更高效的實現高頻信號采集；
- 在片上積分（模式下，一次CMOS曝光時間內可支持更多的“Burst”累積，有效提高信噪比；
- 在激光誘導熒光光譜采集應用場景下，可同步更高頻率的激發光源，提高光譜信號激發和采集效率；
- 在量子關聯成像應用場景下，更高的快門工作頻率可適應更高的光子發生率，從而獲取更豐富的成像信息，更快實現關聯成像。
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30%，且暗計數僅為50cps/cm2，非常適合Yb+，Cd+，Ca+等離子阱熒光成像；
- 超寬光譜響應HotS20光陰極，光譜范圍：200-900nm，峰值量子效率達16%；
- 第三代GaAs光陰極，在600-750nm光譜范圍內，峰值量子效率高達35%，非常適合810nm自發參量下轉換、單光子源空間分布測量、量子關聯成像、量子疊加態、量子糾纏態成像等量子光學研究。
1.2 技術參數
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波段范圍 |
200nm-920nm（取決于光陰極類型） |
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成像分辨率 |
1600*1088，9μm像素 |
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最短曝光時間 |
U:500ps；F:3ns；SG:50ns |
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有效探測面積 |
14.4mm*9.79mm |
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采集速率 |
>98fps@1600*1088，>200fps@1600*500 |
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時序控制 |
0-10s，10ps步進，抖動<35ps |
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快門重復頻率 |
連續-10KHz（500ps）；連續-300KHz，5MHz@Burst（3ns，50ns） |
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同步觸發輸出 |
A、B、C三通道；輸出幅值5V，內阻50Ω；輸出脈沖寬度2ns-10s，最小調整步距10ps |
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通訊接口 |
USB3.0 |
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門控模式 |
光子累計成像 |
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總暗計數 |
10-4-10-2count/s 1KHz，10ns gate |
200-20,000 count/s |
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暗計數 |
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（內置25mm濾光片支架） |
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像增強器 |
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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 應用
1.4 選型
1.5 安裝尺寸
