滨松ORCA-Quest qCMOS科研级相机成像案例：与EMCCD、ICCD的实测对比
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ORCA-Quest qCMOS C15550-20UP（点击了解产品详情）是滨松发布于2021年的一款高性能科研相机。目前在性能上已经实现了两方面的突破：
1、实现了"鱼与熊掌兼得"，在保证了高帧速、高分辨率的同时也保持着高信噪比的优势
按照像素读出计算，ORCA-Quest的读出速度已经高出了EMCCD 1-2个数量级；而在信噪比上，即使在1个光子/像素的信号强度下，qCMOS的表现也已优于EMCCD。
2、读出噪声下降到0.27个电子，终于实现了"光子定量"（Photon number resolving）
用户可以直接读出每个像素中精确的光电子数目，从而定量获得像素所收集的光子数目。
以下将介绍数个滨松qCMOS相机的实际成像案例，特别是在离子阱、单光子源成像案例中与EMCCD相机的对比。以下图片/视频受平台大小限制均为压缩版本，原图/视频可联系工程师候义建（hyj@hamamatsu.com.cn）获得。
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离子阱作为实现量子计算的系统之一，现在越来越多的课题组开始对离子阱进行研究。
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关键词：离子阱、钙离子、单光子探测、量子计算、精密测量
应用：钙离子成像
拍摄条件：曝光时间500 ms，Bin2&Bin4
本实验使用了滨松ORCA-Quest qCMOS相机，对40Ca+离子荧光信号（397 nm）进行了探测。此次拍摄的样品为未结晶的40Ca+离子，信号比较弱，按照和EMCCD相同的曝光时间（500 ms）进行成像，实际成像效果对比如下：
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qCMOS在成像质量上已经和EMCCD处于同一水平，并且其高帧速、小像元等特点还有望进一步优化光路实现。qCMOS在此类实验中主要有两点优势：
1、ROI模式相比于EMCCD更方便；EMCCD是电荷转移，因此ROI模式下，选定区域之外的电荷仍然感光，电荷会有溢出到周边像素的现象，影响成像效果。qCMOS是在单个像素内完成电荷转换为电压的过程，因此不存在上述现象；
2、像元小，会有助于减小整个成像系统的放大倍率，减小信号的空间传输距离，从而减小信号的损耗。
滨松工程师还在用户实验室中进行了镱离子、铍离子的实验，实验效果也得到了用户们的认可。
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关键词：
SPDC，参量光，单光子探测
应用：
自发参量下转换单光子源
本实验以相机对390 nm激光经过透镜聚焦后入射BBO（Beam-Like型）晶体中产生的780 nm参量光（出射角约为3°）进行成像。
实验系统示意
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1、测试对象：
1）由空间光调制器（SLM）加载涡旋相位屏制备的涡旋光束，其光束的光强分布为空心圆环分布，相位分布为从0度到360°沿角度渐变的涡旋状相位分布；
2）由空间光调制器（SLM）加载叠加态相位屏制备的轨道角动量叠加态光束，其光束的光强分布为花瓣状，花瓣的瓣数由叠加态的阶数而定；
对上述两种光束分别采用弱相干光作为光源和参量光作为光源，在不同曝光时间下测量其强度分布，以测试相机对其形状的分辨能力。
2、测试流程：
1）使用弱相干光作为光源（图中未画出）：使用780 nm激光管产生一束25 mw左右的激光，经过60 dB的衰减之后衰减到10 nw量级。
参量光部分光路：HWP3和PBS用来调节泵浦光（390 nm）光强。390 nm的激光经过透镜聚焦后入射到BBO（Beam-Like型）晶体中产生780 nm的参量光（出射角约为3°）。经过长通滤波片后，参量光被耦合进单模光纤（长度约为9 m ），并通过光纤准直器接入到测试光路中。
测试光路：测试光路中QWP1，HWP1，QWP2以及PBS1的组合可看作一个衰减。在接入参量光的时候，需要调节三个波片使得衰减最小。BS3将参量光分为两路，分别进入两个相机同时进行拍摄，BS的透反比大约为54 : 46。参量光在进入测试光路前强度约为2×106 光子/s，在光路中需经过空间光调制器进行调制，再经过后面的光路演化形成需要的光斑，最后入射到相机中心，进入相机的光子数约为1×104 光子/s。
3、测试数据：
测试了滨松ORCA-Quest qCMOS相机以及EMCCD在相同曝光时间下，对涡旋光束和轨道角动量叠加态屏的效果。
当入射光为衰减后的相干光时，进入相机的光强是nw量级，此时曝光时间较短约为1 ms，EMCCD有明显的smear效应，此时的qCMOS测试得到的涡旋光束和叠加态强度分布均比EMCCD具有更高的对比度，边缘也更清晰。
不同曝光时间及增益的成像效果如下：
根据实测表现用户反馈，在弱光探测上面，qCMOS呈现出以下显著特点：
1、分辨率、帧率兼具，信噪比高，产品具有较高的参数指标；
2、软件操作方便。
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关键词：量子光源、量子点、单光子源
应用：量子点单光子源
拍摄条件：曝光时间100 ms，Bin2
除了以上两个实测案例以外，ORCA-Quest qCMOS相机还在另外一个量子点单光子源成像中，在成像质量（100 ms时拍摄）品质无明显差异下，额外展现出了在10 ms曝光时间下对量子点进行高速寻址的优势特性，而这一点是EMCCD无法做到的，也满足了用户对高帧速采集单光子需求。
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关键词：单光子源
应用：单光子源——衰减光源
拍摄条件：曝光时间1 ms，Bin2
测试弱光场下，633 nm LED光束经过涡旋波片后的强度分布，弱光信号经过涡旋波片被探测器接受，测量qCMOS最弱能够探测到的光子数。
如上图所示，该实验中qCMOS相机可探测1.8个光电子/像素的光强，但还未达到探测极限，实际可以探测单光子级的信号。
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关键词：量子关联成像，鬼成像
应用：量子关联成像
拍摄条件：曝光时间300 ms，Bin1
本实验通过400 nm的激光通过BBO晶体之后产生纠缠光子对，相机和单光子探测器联用，进行关联成像。测试ICCD和qCMOS在相同条件下的成像质量对比。下图是装置示意图：
我们将ICCD的增益调到2000，300 ms的曝光时间下，成像效果如下图:
可以明显看出：qCMOS的成像质量要优于ICCD；但是qCMOS的时间分辨能力在us量级，如果希望达到ns甚至ps级的时间分辨的话，很遗憾qCMOS本身无法达到。
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关键词：黑体辐射
应用：黑体辐射成像
拍摄条件：曝光时间10 s，Bin1
黑体加热之后会辐射出不同波长的光，本实验暗室环境，搭配施耐德的25 mm光圈0.95的镜头，将黑体分别加热到600℃，700℃和800℃的时候，观测在405 nm±10 nm滤镜下的成像情况，测试背照sCMOS和qCMOS在相同条件下的成像质量对比。
有以下实验结论：
1、在650℃，BT无法拍摄到成像情况，qCMOS可以清晰拍到；
2、qCMOS长时间曝光之后噪声也是非常低，图示是700℃时拍摄的图片对比。
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