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超冷原子中的光子定量——Quest代替EMCCD的使用方法

超冷原子中的光子定量——Quest代替EMCCD的使用方法试

目录


1 用于超冷原子/离子的光子定量技术
2 关键操作——处理像素尺寸的差异
3 实测对比效果
4 太长不看,直接上结论


用于超冷原子/离子的光子定量技术


在传统观念里,极弱光条件下使用的相机一般是EMCCD相机,而相对强一些的信号才会想到使用高分辨率、高速、高动态范围的sCMOS相机。所以,在超冷原子研究领域,尤其是针对极弱光的单原子成像中,传统上使用的是EMCCD相机。

随着光子定量CMOS芯片quantitative CMOS (qCMOS) 的横空出世,独家搭载该芯片的滨松Quest相机改写了这一传统,开创了光子定量成像的新纪元。Quest相机凭借极低的噪声,实现了光子定量(Photon Number Resolving)。光子定量相较于EMCCD的光子计数(Photon Counting),在识别单光子的同时,还做到了识别多光子的光子数目,即对光子进行定量。(详细原理参见http://share.hamamatsu.com.cn/specialDetail/1868.html


超冷原子应用中,开启状态(On state)的原子/离子在激光激发下会发射荧光,而关闭状态(Off state)的原子则不会,这时,就需要qCMOS这样噪声极低的芯片来精确地分辨出这两种状态。成像时,使用相机的ROI功能(region of interest)选取荧光区域。


如下图所示,只有当相机噪声足够低的时候,才能使两种状态的原子/离子区分开。因为原子本身的激发荧光非常弱,所以相机噪声稍高,就会使On state和Off state原子/离子所在的像素,在读出光电子的过程中因为噪声的引入而无法区分,即没有确定的阈值可以将二者明确分离。


关键操作——处理像素尺寸的差异


对比滨松的EMCCD C9100-24B来看,EMCCD的像元尺寸是13μm x 13μm,而Quest相机的像元尺寸是4.6μm x 4.6μm.


所以如果使用旧EMCCD的光学系统,为了使画面等效,仅用binning来补偿像素大小差异,则会使Quest因像素尺寸小而无法在该系统中体现出光子计数的优势。


因为EMCCD及CCD类芯片的读出模式是所有像素通过同一套读出电路进行读出;而qCMOS及CMOS类芯片,为了实现CCD技术所无法触及的超低噪声,每一个像素都有单出的一个读出电路(FDA),而每一列像素都配有自己的低通滤波器(LPF)电路。



所以,在同一个光学系统中,通过Binning(像素合并)使Quest仅从尺寸上来等效EMCCD,则Quest的14 x 14个像素尺寸相当于EMCCD的5 x 5个像素尺寸,然而在做binning时Quest的噪声(以标准模式为例)被倍增了0.43 x 14=6.02,使光子定量功能失效。


为了使二者等效,建议通过变更光学系统的放大倍数来适配Quest的像素尺寸,这时就会得到真实的Quest低噪声所带来的光子计数性能。


实测对比效果


1.使用EMCCD的光学系统,仅更换相机



可以看出由于过度的像素合并使噪声倍增,光子定量失效,Quest在EMCCD相机的光路中表现不如EMCCD。


2.使用优化后的光路放大倍数——正确的使用方法


可以看出,光子定量的优势,使Quest在区分On state 和Off state原子/离子中体现出了非常明显的优势。




太长不看,直接上结论


由于Quest的小像元,如果用在原EMCCD光路中,会被错误地等效放大倍数而无法展现其真实性能。所以在应用中使用Quest相机替代EMCCD而充分利用其光子定量优势时,建议优化光学系统的放大倍数,以适配Quest相机的像素尺寸。



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