你或許聽過 “光子”，卻未必知道相機(jī)能精準(zhǔn) “數(shù)清” 光子的數(shù)量，更不清楚為什么實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)能力會(huì)對(duì)相機(jī)本身提出極為苛刻的要求——這就是我們所說的光子數(shù)解析技術(shù)。

光的本質(zhì)是無數(shù)光子的集合。當(dāng)這些光子撞上相機(jī)傳感器時(shí)，就會(huì)轉(zhuǎn)化為可被設(shè)備捕捉的“光電子”。而 “光子數(shù)解析” 技術(shù)的核心，正是通過精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)光電子的數(shù)量，來反向推算出光的實(shí)際強(qiáng)度。

但想要實(shí)現(xiàn) “數(shù)清光子” 的目標(biāo)，有一個(gè)繞不開的前提：相機(jī)的讀出噪聲必須遠(yuǎn)小于光電子信號(hào)量。打個(gè)比方，如果你要數(shù)清桌上的3顆豆子（對(duì)應(yīng)3個(gè)光電子），旁邊卻總有1顆“假豆子”（對(duì)應(yīng)讀出噪聲）干擾，自然沒法精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)；只有當(dāng)“假豆子”遠(yuǎn)少于3顆時(shí)，才能清晰分辨真實(shí)豆子的數(shù)量。傳統(tǒng)sCMOS相機(jī)雖一直以“低噪聲”為核心賣點(diǎn)，但其讀出噪聲仍高于實(shí)際場景中的光電子信號(hào)，根本無法滿足光子數(shù)解析的需求。

為了直觀驗(yàn)證這一點(diǎn)，我們通過蒙特卡洛模擬，還原了“平均每像素3個(gè)光電子”場景下，不同讀出噪聲對(duì)像素輸出的影響：當(dāng)讀出噪聲降至0.3e?以下時(shí)，光電子的信號(hào)峰清晰可辨，能精準(zhǔn)計(jì)數(shù)；而噪聲稍高，信號(hào)峰就會(huì)被“淹沒”。從下圖中可以看出讀出噪聲對(duì)實(shí)現(xiàn)光子數(shù)解析的重要性。

以上為蒙特卡洛模擬不同讀出噪聲下像素輸出分布圖

深視智能工程師通過對(duì)Solis B518科學(xué)相機(jī)的圖像傳感器調(diào)制以及對(duì)低噪聲電路優(yōu)化，使得Solis B518讀出噪聲再次突破極限，從0.45e-降低到0.31e-。

我們分別使用讀出噪聲0.5e-相機(jī)A和Solis B518科學(xué)相機(jī)進(jìn)行弱光成像對(duì)比，獲得相同場景的2張照片，并通過蒙特卡洛模型對(duì)光電子信號(hào)進(jìn)行提取。

左圖為相機(jī)A：0.5e-讀出噪聲；右圖為Solis B518：0.31e-讀出噪聲

試驗(yàn)結(jié)果可以清晰的看到擁有更低讀出噪聲的Solis B518光電子的信號(hào)峰清晰可辨，而讀出噪聲更大的相機(jī)A雖然有峰，但是特征明顯不足。實(shí)驗(yàn)證明更低的讀出噪聲可使得光子數(shù)解析更為精準(zhǔn)，符合理論模型。

以上為相機(jī)A像素輸出分布圖

以上為Solis B518：像素輸出分布圖

應(yīng)用前景及意義

深視智能Solis B518將讀出噪聲壓至0.31e?的超低水平，同時(shí)擁有18μm大像元，能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)光子數(shù)解析與單光子級(jí)弱光探測(cè)。它能精準(zhǔn)捕捉超分辨成像中的單分子熒光信號(hào)、量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)的光子計(jì)數(shù)，還可替代EMCCD規(guī)避其固有缺陷。

深視智能Solis B518科學(xué)相機(jī)的弱光成像方案，成功突破前沿科研的弱光探測(cè)技術(shù)瓶頸，為單分子研究、量子測(cè)量等高精尖領(lǐng)域筑牢數(shù)據(jù)根基，助力實(shí)驗(yàn)精度與數(shù)據(jù)可靠性實(shí)現(xiàn)質(zhì)的躍升。