用于超冷原子/離子的光子定量技術(shù)

在傳統(tǒng)觀念里，極弱光條件下使用的相機一般是EMCCD相機，而相對強一些的信號才會想到使用高分辨率、高速、高動態(tài)范圍的sCMOS相機。所以，在超冷原子研究領(lǐng)域，尤其是針對極弱光的單原子成像中，傳統(tǒng)上使用的是EMCCD相機。

隨著光子定量CMOS芯片quantitative CMOS (qCMOS) 的橫空出世，獨家搭載該芯片的濱松Quest相機改寫了這一傳統(tǒng)，開創(chuàng)了光子定量成像的新紀(jì)元。Quest相機憑借極低的噪聲，實現(xiàn)了光子定量(Photon Number Resolving)。光子定量相較于EMCCD的光子計數(shù)(Photon Counting)，在識別單光子的同時，還做到了識別多光子的光子數(shù)目，即對光子進行定量。

超冷原子應(yīng)用中，開啟狀態(tài)(On state)的原子/離子在激光激發(fā)下會發(fā)射熒光，而關(guān)閉狀態(tài)(Off state)的原子則不會，這時，就需要qCMOS這樣噪聲極低的芯片來精確地分辨出這兩種狀態(tài)。成像時，使用相機的ROI功能(region of interest)選取熒光區(qū)域。

如下圖所示，只有當(dāng)相機噪聲足夠低的時候，才能使兩種狀態(tài)的原子/離子區(qū)分開。因為原子本身的激發(fā)熒光非常弱，所以相機噪聲稍高，就會使On state和Off state原子/離子所在的像素，在讀出光電子的過程中因為噪聲的引入而無法區(qū)分，即沒有確定的閾值可以將二者明確分離。

??關(guān)鍵操作——處理像素尺寸的差異

對比濱松的EMCCD C9100-24B來看，EMCCD的像元尺寸是13μm x 13μm，而Quest相機的像元尺寸是4.6μm x 4.6μm.

所以如果使用舊EMCCD的光學(xué)系統(tǒng)，為了使畫面等效，僅用binning來補償像素大小差異，則會使Quest因像素尺寸小而無法在該系統(tǒng)中體現(xiàn)出光子計數(shù)的優(yōu)勢。

因為EMCCD及CCD類芯片的讀出模式是所有像素通過同一套讀出電路進行讀出;而qCMOS及CMOS類芯片，為了實現(xiàn)CCD技術(shù)所無法觸及的超低噪聲，每一個像素都有單出的一個讀出電路(FDA)，而每一列像素都配有自己的低通濾波器(LPF)電路。

所以，在同一個光學(xué)系統(tǒng)中，通過Binning(像素合并)使Quest僅從尺寸上來等效EMCCD，則Quest的14 x 14個像素尺寸相當(dāng)于EMCCD的5 x 5個像素尺寸，然而在做binning時Quest的噪聲(以標(biāo)準(zhǔn)模式為例)被倍增了0.43 x 14=6.02，使光子定量功能失效。

為了使二者等效，建議通過變更光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)來適配Quest的像素尺寸，這時就會得到真實的Quest低噪聲所帶來的光子計數(shù)性能。

實測對比效果

1.使用EMCCD的光學(xué)系統(tǒng)，僅更換相機

可以看出由于過度的像素合并使噪聲倍增，光子定量失效，Quest在EMCCD相機的光路中表現(xiàn)不如EMCCD。

2.使用優(yōu)化后的光路放大倍數(shù)——正確的使用方法

可以看出，光子定量的優(yōu)勢，使Quest在區(qū)分On state 和Off state原子/離子中體現(xiàn)出了非常明顯的優(yōu)勢。

太長不看，直接上結(jié)論

由于Quest的小像元，如果用在原EMCCD光路中，會被錯誤地等效放大倍數(shù)而無法展現(xiàn)其真實性能。所以在應(yīng)用中使用Quest相機替代EMCCD而充分利用其光子定量優(yōu)勢時，建議優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)，以適配Quest相機的像素尺寸。