逐光2DSPC单光子相机中智科仪

逐光2DSPC单光子相机产品介绍  Product introduction

 光子是光的最小能量组成单位，因此单光子探测被视为光学探测灵敏度的物理极限。中智科仪自主研发的2DSPC（2D Single Photon Counting Camera）单光子计数相机是一种能够准确识别单个光子的二维成像探测器。170万像素的二维阵列同时探测并记录到达探测单元内的所有单光子事件，借助实时光子识别算法，将电子学带来的读出噪声及暗噪声完全去除，获得高信噪比光子空间分布信息。

与已经广泛应用的PMT及APD单光子探测器相比，2DSPC相机就相当于一个由上百万个单元组成的二维单光子探测器阵列，通过一次采集可以直接获得二维单光子分布图像，这使得光子计数光谱或成像时采集速度大幅提升。得益于皮秒级高速电子快门及皮秒级高精度时序控制，2DSPC相机可以通过同步触发捕获精准时刻的光子信号。

逐光2DSPC单光子相机特征及优势  Features and advantages

170万像素阵列单光子计数采集：

  单光子计数模式是2DSPC单光子相机的一种特殊工作模式，启动单光子计数模式后，相机会自动运行一个实时光子识别算法，该算法可以将每一帧图像中单光子信号经过像增强器放大后的光子放大信号和相机本身的噪声信号进行识别和区分，并将电子学带来的读出噪声及暗噪声完全去除；每一帧图像中检测到单光子信号的像素点在寄存器记为1，其他像素记为0，通过积分时间的设定进行多帧累加，最终获得高信噪比光子空间分布信息的二维图像，通过纵向累加或ROI，即可得到真正零噪声光谱。该工作模式适用于单光子级较弱信号的收集。

零噪声探测技术：

  独特的零噪声模式，可以真正意义上完全消除sCMOS本身的噪声，让图像背景更干净，信噪比更高，在弱信号采集场景下表现更出色；在光谱应用场景，光谱基线几乎为0。

  在微弱信号采集应用中，sCMOS相机本身的噪声对信噪比产生了显著影响。尽管软件通常提供了多种常规去噪功能，但为了进一步提升信噪比、使用户能够获得更易于后续分析的初步数据，中智科仪已经研发出了零噪声模式。

  这种零噪声模式充分利用了荧光屏发光的物理特性，通过区分图像中计数的来源（是来自荧光屏还是sCMOS本身），从而仅保留来自荧光屏的计数。通过这种方式，sCMOS本身的噪声可以被完全消除，从而进一步提高了信噪比。

   对比上图看出，在未启动“零噪声探测”模式时，图像中存在很多单像素级结构（红色圈标识的部分），而在启动“零噪声探测”模式后，图像中几乎看不见类似单像素结构，而呈现出来的都是团状结构（绿色圈标识的部分）。

  上图为采用单光子计数模式拍摄532nm激光与氦气放电相互作用中汤姆逊散射光谱，拍摄参数：门宽：20ns，MCP增益：3700，触发模式：外触发-Burst（10Hz），曝光时间：100ms，采集模式：单光子模式，叠加张数：6000张。

  上图为普通门控模式拍摄的532nm激光与氦气放电相互作用中汤姆逊散射光谱，相比于单光子计数模式，噪声高很多。

  采用单光子计数模式采集液化丁烷气燃烧的拉曼光谱，去除了sCMOS探测器的噪声，光谱基线几乎为0，即使是个位数的光子信号也能明显的出现在拉曼谱线上，同时拉曼谱线强度是光子数量，直观了表达了信号的强度。

高空间分辨率：

 单光子识别时，得益于精确的光学质心算法，空间分辨率及对比度大幅提升。

• 500ps光学快门：

      以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声；在瞬态吸收荧光光谱应用场景，可以获得更高的时间分辨率。在门控拉曼光谱采集应用场景，抑制荧光和背景光能力更加卓越。

高达500KHz快门重复频率：

更高的快门开关工作频率，更高效的实现高频信号采集；

在片上积分（IOC）模式下，一次CMOS曝光时间内可以支持更多的“Burst”累积，有效提高信噪比；

在激光诱导荧光光谱采集应用场景下，可以同步更高频率的激发光源，提高光谱信号激发和采集效率；

在量子关联成像应用场景下，更高的快门工作频率可以适应更高的光子发生率，从而获取更丰富的成像信息，更快实现关联成像。

Hi-QE及GaAs光阴极：

Hi-Qi UV、Hi-QE Blue、Hi-QE Green光阴极，量子效率高达30%，且暗计数仅为50cps/cm2；非常适合Yb+，Cd+，Ca+等离子阱荧光成像；

超宽光谱响应HotS20光阴极，光谱范围：200-900nm，峰值量子效率达16%；

第三代GaAs光阴极，在600-750nm光谱范围内，峰值量子效率高达35%，非常适合810nm自发参量下转换，单光子源空间分布测量，量子关联成像，量子叠加态，量子纠缠态成像等量子光学研究。

逐光2DSPC单光子相机产品参数  Product parameter

逐光2DSPC单光子相机应用  Application

前沿报道  Frontier reporting