濱松兩種相機qCMOS與EMCCD實測成像對比與選型

濱松ORCA-Quest qCMOS相機C15550-20UP的出現(xiàn)正式開啟了科研相機“光子定量”新紀元。
qCMOS相機實現(xiàn)了兩個“實現(xiàn)”：

1、實現(xiàn)了“魚與熊掌兼得”，同時保證了高幀速、高分辨率以及高信噪比
按照像素讀出計算，ORCA-Quest qCMOS的讀出速度已經(jīng)高出了EMCCD 1-2個數(shù)量級；而在信噪比上，即使在1個光子/像素的信號強度下，qCMOS的表現(xiàn)也已與EMCCD不相上下。

2、讀出噪聲下降到0.27個電子，終于實現(xiàn)了“光子定量”（Photon number resolving）
用戶可以直接讀出每個像素中精確的光電子數(shù)目，從而獲得像素所收集的光子數(shù)目。

問題來了！漂亮的參數(shù)是否能說明實際的能力？答案是，確實未必。有道是，實踐里面出真知，那么接下來要進入的，就是大家最愛看的實測Battle環(huán)節(jié)了！看看在比較有代表性的離子阱、單光子源案例中，qCMOS和EMCCD的表現(xiàn)對比。濱松ORCA-Quest qCMOS到底值不值得一沖，其中見分曉~

PS. 以下圖片/視頻受平臺大小限制均為壓縮版本，原圖可聯(lián)系文末工程師獲得。

案例1：鈣離子成像
案例2：參量光（SPDC）
案例3：量子點光源
案例4：衰減光源（單光子源）
其他案例：量子關(guān)聯(lián)成像、黑體輻射成像

一、離子阱案例

離子阱作為實現(xiàn)量子計算和精密測量的系統(tǒng)之一，現(xiàn)在越來越多的課題組開始對離子阱進行研究。

案例1：鈣離子成像

關(guān)鍵詞：離子阱、鈣離子、單光子探測、量子計算、精密測量
應用： 鈣離子成像
拍攝條件： 曝光時間500 ms，Bin2&Bin4

本實驗使用了濱松ORCA-Quest qCMOS相機，對⁴⁰Ca⁺離子熒光信號（397 nm）進行了探測。此次拍攝的樣品為未結(jié)晶的⁴⁰Ca⁺離子，信號比較弱，按照和EMCCD相同的曝光時間（500 ms）進行成像，實際成像效果對比如下：

EMCCD：Gain300，500 ms，30 MHz ↓↓ （請選擇1080P清晰度觀看）

qCMOS：speed1，500 ms，bin4 ↓↓ （請選擇1080P清晰度觀看）

qCMOS：speed1，500 ms，bin2 ↓↓ （請選擇1080P清晰度觀看）

qCMOS在成像質(zhì)量上已經(jīng)和EMCCD處于同一水平，并且其高幀速、小像元等特點還有望進一步優(yōu)化光路。 qCMOS在此類實驗中主要有兩點優(yōu)勢：

1、ROI模式相比于EMCCD更方便；EMCCD是電荷轉(zhuǎn)移，因此ROI模式下，選定區(qū)域之外的電荷仍然感光，電荷會有溢出到周邊像素的現(xiàn)象，影響成像效果。qCMOS是在單個像素內(nèi)完成電荷轉(zhuǎn)換為電壓的過程，因此不存在上述現(xiàn)象；

2、像元小，會有助于減小整個成像系統(tǒng)的放大倍率，減小信號的空間傳輸距離，從而減小信號的損耗。

濱松工程師還在用戶實驗室中進行了鐿離子、鈹離子的實驗，實驗效果也得到了用戶們的認可。

二、單光子源案例

案例2：參量光（SPDC）

關(guān)鍵詞：SPDC，參量光，單光子探測
應用：自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換單光子源

本實驗以相機對390 nm激光經(jīng)過透鏡聚焦后入射BBO（Beam-Like型）晶體中產(chǎn)生的780 nm參量光（出射角約為3°）進行成像。
 
1、測試對象：

1）由空間光調(diào)制器（SLM）加載渦旋相位屏制備的渦旋光束，其光束的光強分布為空心圓環(huán)分布，相位分布為從0度到360°沿角度漸變的渦旋狀相位分布；

2）由空間光調(diào)制器（SLM）加載疊加態(tài)相位屏制備的軌道角動量疊加態(tài)光束，其光束的光強分布為花瓣狀，花瓣的瓣數(shù)由疊加態(tài)的階數(shù)而定； 對上述兩種光束分別采用弱相干光作為光源和參量光作為光源，在不同曝光時間下測量其強度分布，以測試相機對其形狀的分辨能力。

2、測試流程：

用弱相干光作為光源（圖中未畫出）：使用780 nm激光管產(chǎn)生一束25 mw左右的激光，經(jīng)過60 dB的衰減之后衰減到10 nw量級。

參量光部分光路：

HWP3和PBS用來調(diào)節(jié)泵浦光（390 nm）光強。390 nm的激光經(jīng)過透鏡聚焦后入射到BBO（Beam-Like型）晶體中產(chǎn)生780 nm的參量光（出射角約為3°）。經(jīng)過長通濾波片后，參量光被耦合進單模光纖（長度約為9 m ），并通過光纖準直器接入到測試光路中。

測試光路：

測試光路中QWP1，HWP1，QWP2以及PBS1的組合可看作一個衰減。在接入?yún)⒘抗獾臅r候，需要調(diào)節(jié)三個波片使得衰減最小。BS3將參量光分為兩路，分別進入兩個相機同時進行拍攝，BS的透反比大約為54:46。參量光在進入測試光路前強度約為2×10⁶ 光子/s，在光路中需經(jīng)過空間光調(diào)制器進行調(diào)制，再經(jīng)過后面的光路演化形成需要的光斑，最后入射到相機中心，進入相機的光子數(shù)約為1×10⁴ 光子/s。

3、測試數(shù)據(jù)：

測試了濱松ORCA-Quest qCMOS相機以及某品牌EMCCD在相同曝光時間下，對渦旋光束和軌道角動量疊加態(tài)屏的效果。
 
當入射光為衰減后的相干光時，進入相機的光強是nw量級，此時曝光時間較短約為1 ms，EMCCD有明顯的smear效應，此時的qCMOS測試得到的渦旋光束和疊加態(tài)強度分布均比EMCCD具有更高的對比度，邊緣也更清晰。  不同曝光時間及增益的成像效果如下：
 
根據(jù)實測表現(xiàn)用戶反饋，在弱光探測上面，qCMOS呈現(xiàn)出以下顯著特點：

1）分辨率、幀率兼具，信噪比高，產(chǎn)品具有較高的參數(shù)指標；
2）軟件操作方便。

案例3：量子點光源

關(guān)鍵詞：量子光源、量子點、單光子源
應用： 量子點單光子源
拍攝條件： 曝光時間100 ms，Bin2

除了以上兩個實測案例以外呢，ORCA-Quest qCMOS相機還在另外一個量子點單光子源成像中，在成像質(zhì)量（100 ms時拍攝）品質(zhì)無明顯差異下，額外展現(xiàn)出了在10 ms曝光時間下對量子點進行高速尋址的優(yōu)勢特性，而這一點是EMCCD無法做到的，也滿足了用戶對高幀速采集單光子需求。

案例4：衰減光源（單光子源）

關(guān)鍵詞：單光子源
應用： 單光子源——衰減光源
拍攝條件： 曝光時間1 ms，Bin2

測試弱光場下，633 nm LED光束經(jīng)過渦旋波片后的強度分布，弱光信號經(jīng)過渦旋波片被探測器接受，測量qCMOS最弱能夠探測到的光子數(shù)。
 
如上圖所示，該實驗中qCMOS相機可探測1.8個光電子/像素的光強，但還未達到探測極限，實際可以探測單光子級的信號。

除了上面給大家展示的離子阱、單光子源的案例以外，在量子關(guān)聯(lián)成像、黑體輻射成像等應用中，濱松ORCA-Quest qCMOS相機也有著不錯的成像效果。想要進一步了解具體的實驗情況，聯(lián)系我們。

正如此前新qCMOS相機剛剛推出時所說的那樣，對于這樣技術(shù)的誕生我們感到非常的興奮，也非常開心它已切實成為了諸多科研人員的助力。濱松將ORCA-Quest qCMOS相機 C15550-20UP 視為開啟科研級相機“光子定量”紀元的那把鑰匙。而未來我們也將繼續(xù)前行，帶來更多技術(shù)的革新。

濱松相機，從未停止追求巔峰的腳步。