超冷原子中的光子定量——Quest代替EMCCD的使用方法
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作者:Hamamatsu
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发布时间: 2022-11-25
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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。
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。
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。