逐光2DSPC单光子相机
逐光2DSPC单光子相机
单光子计数相机
国产自主研发的逐光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。
逐光2DSPC单光子相机不仅有170万像素的二维阵列，还有皮秒级高速电子快门及皮秒级高精度时序控制，可以通过同步触发捕获精准时刻的光子信号。另外借助实时光子识别算法，完全去除电子学带来的读出噪声及暗噪声；大幅提升光子计数光谱或成像时的采集速度，最终获得高信噪比光子空间分布信息。
1.1 产品优势
1.1.1 170万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。在单光子计数模式下，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经过像增强器放大后的光子信号和相机本身的噪声信号进行识别和区分，并完全去除电子学带来的读出噪声及暗噪声；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。
1.1.2 零噪声探测技术
在微弱信号采集应用中，sCMOS相机本身的噪声对信噪比会产生显著影响。而本单光子相机软件中独特的零噪声模式，可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；在光谱应用场景中，光谱基线几乎为0。
这种零噪声模式充分利用了荧光屏发光的物理特性，通过区分图像中技术的来源（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。
从上图对比可看出，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）；但在启动“零噪声探测”模式后，图像中几乎看不见类似单像素结构，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。
上图为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展示在拉曼谱线上，同时拉曼谱线强度就是光子数量，直观表达了信号的强度。
1.1.3 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。
1.1.4 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。
1.1.5 高达500KHz快门重复频率
- 更高的快门开光工作频率，更高效的实现高频信号采集；
- 在片上积分（模式下，一次CMOS曝光时间内可支持更多的“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。
1.1.6 Hi-QE及GaAs光阴极
- Hi-QE 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。
1.2 技术参数
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波段范围 |
200nm-920nm（取决于光阴极类型） |
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成像分辨率 |
1600*1088，9μm像素 |
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最短曝光时间 |
U:500ps；F:3ns；SG:50ns |
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有效探测面积 |
14.4mm*9.79mm |
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采集速率 |
>98fps@1600*1088，>200fps@1600*500 |
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时序控制 |
0-10s，10ps步进，抖动<35ps |
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快门重复频率 |
连续-10KHz（500ps）；连续-300KHz，5MHz@Burst（3ns，50ns） |
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同步触发输出 |
A、B、C三通道；输出幅值5V，内阻50Ω；输出脉冲宽度2ns-10s，最小调整步距10ps |
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通讯接口 |
USB3.0 |
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门控模式 |
光子累计成像 |
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总暗计数 |
10-4-10-2count/s 1KHz，10ns gate |
200-20,000 count/s |
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暗计数 |
10-10-10-8count/s/pixel 1KHz，10ns gate |
0.00012-0.012count/s/pixel |
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镜头接口 |
C-Mount/F-Mount（内置25mm滤光片支架） |
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像增强器 |
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光阴极 |
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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等效背景噪声(EBI) |
<0.25ulx |
<0.05ulx |
<0.05ulx |
<0.05ulx |
<0.05ulx |
<0.05ulx |
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波段 范围 |
400nm-920nm |
200nm-900nm |
185-700nm |
185nm-730nm |
200nm-325nm |
320nm-700nm |
1.3 应用
1.4 选型
1.5 安装尺寸
