qCMOS行不行？与EMCCD实测Battle下就知道了…

在今年5.20这个大日子，滨松发布了ORCA-Quest qCMOS相机C15550-20UP，自此正式开启了科研相机“光子定量”新纪元。

新qCMOS相机实现了两个“实现”的实现（这不是套娃表述，只是中文博大精深）：

1、实现了“鱼与熊掌兼得”，同时保证了高帧速、高分辨率以及高信噪比

按照像素读出计算，ORCA-Quest qCMOS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的表现也已与EMCCD不相上下。

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，从而获得像素所收集的光子数目。

问题来了！上述出现了多少个“实现”？（误）漂亮的参数是否能说明实际的能力？答案是，确实未必。有道是，实践里面出真知，那么接下来要进入的，就是大家最爱看的实测Battle环节了！看看在比较有代表性的离子阱、单光子源案例中，qCMOS和EMCCD的表现对比。滨松ORCA-Quest qCMOS到底值不值得一冲，其中见分晓~

PS. 以下图片/视频受平台大小限制均为压缩版本，原图可联系文末工程师获得。

离子阱作为实现量子计算和精密测量的系统之一，现在越来越多的课题组开始对离子阱进行研究。

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：

EMCCD：Gain300，500 ms，30 MHz ↓↓

（请选择1080P清晰度观看）

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。

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。

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。

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：

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相机以及某品牌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。

除了以上两个实测案例以外呢，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。

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。

除了上面给大家展示的离子阱、单光子源的案例以外，在量子关联成像、黑体辐射成像等应用中，滨松ORCA-Quest qCMOS相机也有着不错的成像效果。想要进一步了解具体的实验情况，可以点击此处。

正如此前新qCMOS相机刚刚推出时所说的那样，对于这样技术的诞生我们感到非常的兴奋，也非常开心它已切实成为了诸多科研人员的助力。滨松将ORCA-Quest qCMOS相机 C15550-20UP 视为开启科研级相机“光子定量”纪元的那把钥匙。而未来我们也将继续前行，带来更多技术的革新。

滨松相机，从未停止追求巅峰的脚步。

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