你或許聽過 “光子”，卻未必知道相機能精準 “數(shù)清” 光子的數(shù)量，更不清楚為什么實現(xiàn)這項能力會對相機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。

光的本質(zhì)是無數(shù)光子的集合。當這些光子撞上相機傳感器時，就會轉(zhuǎn)化為可被設備捕捉的“光電子”。而 “光子數(shù)解析” 技術的核心，正是通過精準統(tǒng)計光電子的數(shù)量，來反向推算出光的實際強度。

但想要實現(xiàn) “數(shù)清光子” 的目標，有一個繞不開的前提：相機的讀出噪聲必須遠小于光電子信號量。打個比方，如果你要數(shù)清桌上的3顆豆子（對應3個光電子），旁邊卻總有1顆“假豆子”（對應讀出噪聲）干擾，自然沒法精準統(tǒng)計；只有當“假豆子”遠少于3顆時，才能清晰分辨真實豆子的數(shù)量。傳統(tǒng)sCMOS相機雖一直以“低噪聲”為核心賣點，但其讀出噪聲仍高于實際場景中的光電子信號，根本無法滿足光子數(shù)解析的需求。

為了直觀驗證這一點，我們通過蒙特卡洛模擬，還原了“平均每像素3個光電子”場景下，不同讀出噪聲對像素輸出的影響：當讀出噪聲降至0.3e?以下時，光電子的信號峰清晰可辨，能精準計數(shù)；而噪聲稍高，信號峰就會被“淹沒”。從下圖中可以看出讀出噪聲對實現(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Solis B518科學相機的圖像傳感器調(diào)制以及對低噪聲電路優(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A和Solis B518科學相機進行弱光成像對比，獲得相同場景的2張照片，并通過蒙特卡洛模型對光電子信號進行提取。

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

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

以上為相機A像素輸出分布圖

以上為Solis B518：像素輸出分布圖

應用前景及意義

深視智能Solis B518將讀出噪聲壓至0.31e?的超低水平，同時擁有18μm大像元，能夠穩(wěn)定實現(xiàn)光子數(shù)解析與單光子級弱光探測。它能精準捕捉超分辨成像中的單分子熒光信號、量子光學實驗的光子計數(shù)，還可替代EMCCD規(guī)避其固有缺陷。

深視智能Solis B518科學相機的弱光成像方案，成功突破前沿科研的弱光探測技術瓶頸，為單分子研究、量子測量等高精尖領域筑牢數(shù)據(jù)根基，助力實驗精度與數(shù)據(jù)可靠性實現(xiàn)質(zhì)的躍升。