弱光檢測技術(shù)在量子科技，生命科學(xué)和化學(xué)發(fā)光成像等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，弱光成像相機(jī)與傳統(tǒng)的點(diǎn)探測器，如光電倍增管，微通道板光電倍增管相比，可以提供高分辨率的二維圖像，且更容易與數(shù)字系統(tǒng)集成，更適合現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室和一般性的科研應(yīng)用。目前，適用于微弱光檢測的圖像傳感器包括深度制冷CCD，ICCD，EMCCD，sCMOS等。本文將對微弱光檢測相機(jī)的類型進(jìn)行介紹，并對其典型的應(yīng)用案例進(jìn)行介紹。

CCD和CMOS

圖1. CCD原理框圖。圖源：nevevsemi.com

圖像傳感器是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號的器件，在日常生活，工業(yè)制造和科學(xué)研究中具有廣泛的應(yīng)用。目前常用的半導(dǎo)體圖像傳感器，主要可以分為CCD和CMOS兩大家族。CCD于1969年由Willard Boyle和George Smith發(fā)明，在很長時(shí)間內(nèi)占據(jù)了成像傳感器的主導(dǎo)地位。CMOS傳感器在 20世紀(jì)90年代初，在Eric Fossum領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)的努力下，實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。CMOS技術(shù)問世后，由于其低成本，功耗低，幀率高等特點(diǎn)，大大推廣了圖像傳感器的大規(guī)模應(yīng)用。

從原理上來說，CCD和CMOS的工作原理都基于光電效應(yīng)，光子入射到靈敏區(qū)，產(chǎn)生光電子，再由特定的讀出回路讀出電信號。CCD和CMOS主要的差異在光電子的轉(zhuǎn)化和電信號的讀出上。CCD可以看作一個(gè)大陣列的半導(dǎo)體電荷“桶”，每個(gè)像素都以電荷的形式存儲了入射光強(qiáng)的信息，電荷可以通過垂直方向，傳遞到讀出寄存器中，再注意通過讀出放大器，ADC逐個(gè)讀出。CMOS的每個(gè)像素都集成了電荷-電壓轉(zhuǎn)換放大器，與CCD相比，可以實(shí)現(xiàn)并行快速讀出，并且具有體積更小，能耗低的優(yōu)點(diǎn)。CCD具有高量子效率，低噪聲和高靈敏度的特點(diǎn)，目前仍在光譜分析，高端成像等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。

圖3. 使用了Sony CMOS傳感器的Scintacor CamIR/CamUV相機(jī)，配合閃爍體技術(shù)，可用于紅外/紫外光束的光束輪廓分析

對微弱光信號的探測能力，可以通過信噪比表征，是入射到單個(gè)像素的光子數(shù)，P是量子效率，分子是預(yù)期的信號產(chǎn)生光電子數(shù)，分母是期望噪聲電子數(shù)。從SNR的組成來看，主要有兩種方式可以提高信噪比，一是提升信號的大小，二是減小噪聲。目前市面上的微弱光檢測相機(jī)，主要是通過各種先進(jìn)的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)信噪比的提高，以檢測微弱的光信號。

EMCCD-電子倍增CCD

圖4. EMCCD乘法寄存器結(jié)構(gòu)示意圖

圖5. EMCCD電子倍增原理

EMCCD是一種高靈敏度的成像傳感器，專為微弱光條件下的精確探測設(shè)計(jì)，具備真正的單光子級別靈敏度。其關(guān)鍵技術(shù)在于片上電子倍增結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)CCD相比，EMCCD在寄存器末端和輸出節(jié)點(diǎn)之間增加了乘法寄存器，逐級倍增CCD像元采集的電荷信號，將微弱信號放大數(shù)千倍后由讀出電路提取。乘法寄存器通過高時(shí)鐘電壓驅(qū)動，使信號電子在電場中加速碰撞晶格，產(chǎn)生二次電子，實(shí)現(xiàn)顯著的電荷增益。

EMCCD的噪聲的來源可以分為以下幾部分：光子散粒噪聲，暗電流噪聲，時(shí)鐘感應(yīng)電荷噪聲和讀出噪聲。F是過量噪聲因子，描述噪聲隨增益增加的增強(qiáng)，對EMCCD的增益模式來說，一般在1.3左右；M是倍增因子，描述了隨增益增大，讀出噪聲的影響減少。從噪聲的來源可以看出，EMCCD通過片上的信號增益，以稍微增加其他幾個(gè)噪聲來源為代價(jià)，使得讀出噪聲幾乎可忽略不計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)單光子級別的靈敏度。

圖7. EMCCD量子效率

目前主流的EMCCD相機(jī)采用e2v公司第三代EMCCD芯片，保留1024×1024高分辨率，且像素尺寸為10μm×10μm，有效提高了空間分辨率。其讀出速率是上一代EMCCD的三倍以上，滿分辨率下幀頻可達(dá)31fps。高達(dá)5000倍的電子增益實(shí)現(xiàn)了真正的單光子級靈敏度。EMCCD廣泛應(yīng)用于量子計(jì)算、光鑷原子陣列、熒光成像、量子物理基礎(chǔ)研究和共聚焦成像，是檢測單光子級別圖像的關(guān)鍵設(shè)備。近年sCMOS技術(shù)發(fā)展迅速，在生物熒光成像，天文觀測等領(lǐng)域的應(yīng)用引人注目，但在信號光子數(shù)弱至幾個(gè)到幾十個(gè)光子的應(yīng)用中，EMCCD與最先進(jìn)的sCMOS下相比仍有優(yōu)勢，選擇sCMOS還是EMCCD取決于具體應(yīng)用細(xì)節(jié)。

來自哈佛大學(xué)，QuEra等科研機(jī)構(gòu)的研究人員，實(shí)現(xiàn)了64到256個(gè)量子比特的Rb87里德堡原子陣列。圖8是他們開展實(shí)驗(yàn)的框圖，光鑷的光源是一個(gè)810 nm的鈦藍(lán)寶石激光器，通過計(jì)算機(jī)控制的SLM產(chǎn)生了光鑷陣列，AOD用于偏轉(zhuǎn)特定的光鑷，以實(shí)現(xiàn)原子的移動和重新排列。EMCCD在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中用作熒光成像檢測，負(fù)責(zé)的功能主要有兩點(diǎn)，一是檢測光鑷是否成功裝載中性原子，二是在操作結(jié)束后，檢測光鑷中的原子的狀態(tài)。

圖10. 用EMCCD拍攝離子阱囚禁的鐿離子晶體[2]

在離子阱囚禁離子的研究中，同樣需要通過利用EMCCD，確定離子阱裝載是否成功，以及檢測囚禁離子的狀態(tài)。來自印第安納大學(xué)量子科學(xué)和工程中心的研究人員，使用線性Paul阱，實(shí)現(xiàn)了徑向二維的離子晶體，使用了鐿離子的兩個(gè)超精細(xì)能級實(shí)現(xiàn)冷卻和組航太檢測，圖10展示他們用EMCCD對離子晶體的不同相進(jìn)行檢測的結(jié)果。

sCMOS-科學(xué)級CMOS

sCMOS相機(jī)是專為高要求的科研應(yīng)用設(shè)計(jì)的傳感器，與日常用途的CMOS傳感其相比，通過優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高分辨率，低噪聲，高量子效率，高幀率的“魚與熊掌”兼得。與CCD相比，sCMOS每個(gè)像元都集成了增益放大器，每列像元均配備了數(shù)模轉(zhuǎn)換器，特殊設(shè)計(jì)的背照式結(jié)構(gòu)在顯著增大量子效率的同時(shí)，降低了暗噪聲。在相當(dāng)部分的微弱光成像應(yīng)用中，sCMOS以全面性和經(jīng)濟(jì)性，盡管面世時(shí)間僅有十余年，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。與EMCCD相比，sCMOS在極弱光強(qiáng)（幾個(gè)到幾十個(gè)入射光子）檢測，長時(shí)間曝光這兩方面，仍有一定性能差距。EMCCD在特定應(yīng)用場景下仍難以替代，就像一輛公路自行車，在平路上很快，但是適用性稍差；sCMOS則像多用途的山地休閑自行車，適用于各種路面，滿足大多數(shù)速度需要。

近年市場上推出了新的大像元背照式sCMOS相機(jī)，具有16 um大像元，讀出噪聲達(dá)到0.8 e亞電子級，同時(shí)保持90 %以上的峰值量子效率，在相當(dāng)部分的微弱光探測應(yīng)用中具有替代EMCCD的潛力。

圖13.背照式sCMOS相機(jī)

“常規(guī)“的背照式相機(jī)在弱光成像領(lǐng)域，成功在高量子效率，低讀出噪聲，高幀率，成本（與EMCCD等產(chǎn)品相比）方面取得很好的平衡。根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際情況，選擇sCMOS相機(jī)有望在降低總體系統(tǒng)成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高幀率，高分辨率的微弱光成像/檢測。

深度制冷CCD 

在生物發(fā)光、天文學(xué)和熒光顯微鏡等需要長時(shí)間曝光的應(yīng)用中，成像設(shè)備需具備較高的弱光信號采集能力。針對這些需求，廠商開發(fā)了深度制冷CCD相機(jī)，通過顯著降低暗電流和噪聲水平，提高信噪比，支持像素合并（binning）操作以增強(qiáng)光電子采集效率。此外，深度制冷還有效減少長時(shí)間曝光時(shí)由噪聲像素引起的鋸齒狀圖案噪聲，進(jìn)一步優(yōu)化成像質(zhì)量。這些特性使其成為弱光成像領(lǐng)域的重要工具。圖4展示了室溫和深度制冷狀態(tài)下的成像對比，紅線是下方成像輸出和對應(yīng)像元的對比位置，制冷后，顯著降低了暗電流和導(dǎo)致的噪聲；從圖像整體成像質(zhì)量看，深度制冷使得噪聲像素大大降低。

圖14. 室溫和深度制冷狀態(tài)下成像圖像對比。

深度制冷CCD相機(jī)采用Teledyne e2v背照傳感器，量子效率高達(dá)95%，填充因子為100%。結(jié)合PentaVac?真空技術(shù)，實(shí)現(xiàn)-90℃深度制冷，暗電流<0.0001 e/p/s，讀出噪聲（rms）<3.5 e @ 75 kHz。其產(chǎn)品適用于定量科學(xué)成像、生物醫(yī)學(xué)成像和天文觀測等高端科研應(yīng)用。

ICCD-增強(qiáng)CCD

圖16. ICCD框圖，圖源：Teledyne Vision Solutions

圖17. 時(shí)間門控拉曼

ICCD是最早用于微弱光探測器的成像相機(jī)之一，將像增強(qiáng)器和CCD傳感器耦合，大大增強(qiáng)了CCD在微弱光探測過程中的靈敏度。像增強(qiáng)器由光陰極，微通道板，熒光屏組成，通過光纖束與CCD耦合。受光陰極材料的限制，ICCD的量子效率一般不超過50 %，這是ICCD與EMCCD和sCMOS相比主要的缺點(diǎn)；ICCD的核心優(yōu)勢是像增強(qiáng)器可以整合電子快門（控制微通道板的電壓），從而實(shí)現(xiàn)ns甚至ps級的門控，使得ICCD在時(shí)間相關(guān)的弱光探測器應(yīng)用，如時(shí)間門控拉曼，時(shí)間分辨熒光實(shí)驗(yàn)，激光誘導(dǎo)熒光成像等應(yīng)用中，具有比EMCCD和sCMOS更優(yōu)秀的性能。

圖18. ICCD Condor

參考資料

1.Ebadi, Sepehr et al. (2021). Quantum phases of matter on a 256-atom programmable quantum simulator. Nature. 595. 227-232. 10.1038/s41586-021-03582-4.

2.D’Onofrio, et al. (2021). Radial Two-Dimensional Ion Crystals in a Linear Paul Trap. Physical Review Letters. 127. 10.1103/PhysRevLett.127.020503.