用于超冷原子/離子的光子定量技術

在傳統觀念里，極弱光條件下使用的相機一般是EMCCD相機，而相對強一些的信號才會想到使用高分辨率、高速、高動態范圍的sCMOS相機。所以，在超冷原子研究領域，尤其是針對極弱光的單原子成像中，傳統上使用的是EMCCD相機。

隨著光子定量CMOS芯片quantitative CMOS (qCMOS) 的橫空出世，獨家搭載該芯片的濱松Quest相機改寫了這一傳統，開創了光子定量成像的新紀元。Quest相機憑借極低的噪聲，實現了光子定量(Photon Number Resolving)。光子定量相較于EMCCD的光子計數(Photon Counting)，在識別單光子的同時，還做到了識別多光子的光子數目，即對光子進行定量。

超冷原子應用中，開啟狀態(On state)的原子/離子在激光激發下會發射熒光，而關閉狀態(Off state)的原子則不會，這時，就需要qCMOS這樣噪聲極低的芯片來精確地分辨出這兩種狀態。成像時，使用相機的ROI功能(region of interest)選取熒光區域。

如下圖所示，只有當相機噪聲足夠低的時候，才能使兩種狀態的原子/離子區分開。因為原子本身的激發熒光非常弱，所以相機噪聲稍高，就會使On state和Off state原子/離子所在的像素，在讀出光電子的過程中因為噪聲的引入而無法區分，即沒有確定的閾值可以將二者明確分離。

??關鍵操作——處理像素尺寸的差異

對比濱松的EMCCD C9100-24B來看，EMCCD的像元尺寸是13μm x 13μm，而Quest相機的像元尺寸是4.6μm x 4.6μm.

所以如果使用舊EMCCD的光學系統，為了使畫面等效，僅用binning來補償像素大小差異，則會使Quest因像素尺寸小而無法在該系統中體現出光子計數的優勢。

因為EMCCD及CCD類芯片的讀出模式是所有像素通過同一套讀出電路進行讀出;而qCMOS及CMOS類芯片，為了實現CCD技術所無法觸及的超低噪聲，每一個像素都有單出的一個讀出電路(FDA)，而每一列像素都配有自己的低通濾波器(LPF)電路。

所以，在同一個光學系統中，通過Binning(像素合并)使Quest僅從尺寸上來等效EMCCD，則Quest的14 x 14個像素尺寸相當于EMCCD的5 x 5個像素尺寸，然而在做binning時Quest的噪聲(以標準模式為例)被倍增了0.43 x 14=6.02，使光子定量功能失效。

為了使二者等效，建議通過變更光學系統的放大倍數來適配Quest的像素尺寸，這時就會得到真實的Quest低噪聲所帶來的光子計數性能。

實測對比效果

1.使用EMCCD的光學系統，僅更換相機

可以看出由于過度的像素合并使噪聲倍增，光子定量失效，Quest在EMCCD相機的光路中表現不如EMCCD。

2.使用優化后的光路放大倍數——正確的使用方法

可以看出，光子定量的優勢，使Quest在區分On state 和Off state原子/離子中體現出了非常明顯的優勢。

太長不看，直接上結論

由于Quest的小像元，如果用在原EMCCD光路中，會被錯誤地等效放大倍數而無法展現其真實性能。所以在應用中使用Quest相機替代EMCCD而充分利用其光子定量優勢時，建議優化光學系統的放大倍數，以適配Quest相機的像素尺寸。