弱光检测技术在量子科技，生命科学和化学发光成像等领域具有广泛的应用，弱光成像相机与传统的点探测器，如光电倍增管，微通道板光电倍增管相比，可以提供高分辨率的二维图像，且更容易与数字系统集成，更适合现代实验室和一般性的科研应用。目前，适用于微弱光检测的图像传感器包括深度制冷CCD，ICCD，EMCCD，sCMOS等。本文将对微弱光检测相机的类型进行介绍，并对其典型的应用案例进行介绍。

CCD和CMOS

图1. CCD原理框图。图源：nevevsemi.com

图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的器件，在日常生活，工业制造和科学研究中具有广泛的应用。目前常用的半导体图像传感器，主要可以分为CCD和CMOS两大家族。CCD于1969年由Willard Boyle和George Smith发明，在很长时间内占据了成像传感器的主导地位。CMOS传感器在 20世纪90年代初，在Eric Fossum领导的团队的努力下，实现实用化。CMOS技术问世后，由于其低成本，功耗低，帧率高等特点，大大推广了图像传感器的大规模应用。

从原理上来说，CCD和CMOS的工作原理都基于光电效应，光子入射到灵敏区，产生光电子，再由特定的读出回路读出电信号。CCD和CMOS主要的差异在光电子的转化和电信号的读出上。CCD可以看作一个大阵列的半导体电荷“桶”，每个像素都以电荷的形式存储了入射光强的信息，电荷可以通过垂直方向，传递到读出寄存器中，再注意通过读出放大器，ADC逐个读出。CMOS的每个像素都集成了电荷-电压转换放大器，与CCD相比，可以实现并行快速读出，并且具有体积更小，能耗低的优点。CCD具有高量子效率，低噪声和高灵敏度的特点，目前仍在光谱分析，高端成像等领域具有重要应用。

图3. 使用了Sony CMOS传感器的Scintacor CamIR/CamUV相机，配合闪烁体技术，可用于红外/紫外光束的光束轮廓分析

对微弱光信号的探测能力，可以通过信噪比表征，是入射到单个像素的光子数，P是量子效率，分子是预期的信号产生光电子数，分母是期望噪声电子数。从SNR的组成来看，主要有两种方式可以提高信噪比，一是提升信号的大小，二是减小噪声。目前市面上的微弱光检测相机，主要是通过各种先进的技术手段，实现信噪比的提高，以检测微弱的光信号。

EMCCD-电子倍增CCD

图4. EMCCD乘法寄存器结构示意图

图5. EMCCD电子倍增原理

EMCCD是一种高灵敏度的成像传感器，专为微弱光条件下的精确探测设计，具备真正的单光子级别灵敏度。其关键技术在于片上电子倍增结构。与传统CCD相比，EMCCD在寄存器末端和输出节点之间增加了乘法寄存器，逐级倍增CCD像元采集的电荷信号，将微弱信号放大数千倍后由读出电路提取。乘法寄存器通过高时钟电压驱动，使信号电子在电场中加速碰撞晶格，产生二次电子，实现显著的电荷增益。

EMCCD的噪声的来源可以分为以下几部分：光子散粒噪声，暗电流噪声，时钟感应电荷噪声和读出噪声。F是过量噪声因子，描述噪声随增益增加的增强，对EMCCD的增益模式来说，一般在1.3左右；M是倍增因子，描述了随增益增大，读出噪声的影响减少。从噪声的来源可以看出，EMCCD通过片上的信号增益，以稍微增加其他几个噪声来源为代价，使得读出噪声几乎可忽略不计，从而实现单光子级别的灵敏度。

图7. EMCCD量子效率

目前主流的EMCCD相机采用e2v公司第三代EMCCD芯片，保留1024×1024高分辨率，且像素尺寸为10μm×10μm，有效提高了空间分辨率。其读出速率是上一代EMCCD的三倍以上，满分辨率下帧频可达31fps。高达5000倍的电子增益实现了真正的单光子级灵敏度。EMCCD广泛应用于量子计算、光镊原子阵列、荧光成像、量子物理基础研究和共聚焦成像，是检测单光子级别图像的关键设备。近年sCMOS技术发展迅速，在生物荧光成像，天文观测等领域的应用引人注目，但在信号光子数弱至几个到几十个光子的应用中，EMCCD与最先进的sCMOS下相比仍有优势，选择sCMOS还是EMCCD取决于具体应用细节。

来自哈佛大学，QuEra等科研机构的研究人员，实现了64到256个量子比特的Rb87里德堡原子阵列。图8是他们开展实验的框图，光镊的光源是一个810 nm的钛蓝宝石激光器，通过计算机控制的SLM产生了光镊阵列，AOD用于偏转特定的光镊，以实现原子的移动和重新排列。EMCCD在实验系统中用作荧光成像检测，负责的功能主要有两点，一是检测光镊是否成功装载中性原子，二是在操作结束后，检测光镊中的原子的状态。

图10. 用EMCCD拍摄离子阱囚禁的镱离子晶体[2]

在离子阱囚禁离子的研究中，同样需要通过利用EMCCD，确定离子阱装载是否成功，以及检测囚禁离子的状态。来自印第安纳大学量子科学和工程中心的研究人员，使用线性Paul阱，实现了径向二维的离子晶体，使用了镱离子的两个超精细能级实现冷却和组航太检测，图10展示他们用EMCCD对离子晶体的不同相进行检测的结果。

sCMOS-科学级CMOS

sCMOS相机是专为高要求的科研应用设计的传感器，与日常用途的CMOS传感其相比，通过优化芯片设计，实现了高分辨率，低噪声，高量子效率，高帧率的“鱼与熊掌”兼得。与CCD相比，sCMOS每个像元都集成了增益放大器，每列像元均配备了数模转换器，特殊设计的背照式结构在显著增大量子效率的同时，降低了暗噪声。在相当部分的微弱光成像应用中，sCMOS以全面性和经济性，尽管面世时间仅有十余年，已经得到广泛的应用和认可。与EMCCD相比，sCMOS在极弱光强（几个到几十个入射光子）检测，长时间曝光这两方面，仍有一定性能差距。EMCCD在特定应用场景下仍难以替代，就像一辆公路自行车，在平路上很快，但是适用性稍差；sCMOS则像多用途的山地休闲自行车，适用于各种路面，满足大多数速度需要。

近年市场上推出了新的大像元背照式sCMOS相机，具有16 um大像元，读出噪声达到0.8 e亚电子级，同时保持90 %以上的峰值量子效率，在相当部分的微弱光探测应用中具有替代EMCCD的潜力。

图13.背照式sCMOS相机

“常规“的背照式相机在弱光成像领域，成功在高量子效率，低读出噪声，高帧率，成本（与EMCCD等产品相比）方面取得很好的平衡。根据应用的实际情况，选择sCMOS相机有望在降低总体系统成本的基础上，实现高帧率，高分辨率的微弱光成像/检测。

深度制冷CCD 

在生物发光、天文学和荧光显微镜等需要长时间曝光的应用中，成像设备需具备较高的弱光信号采集能力。针对这些需求，厂商开发了深度制冷CCD相机，通过显著降低暗电流和噪声水平，提高信噪比，支持像素合并（binning）操作以增强光电子采集效率。此外，深度制冷还有效减少长时间曝光时由噪声像素引起的锯齿状图案噪声，进一步优化成像质量。这些特性使其成为弱光成像领域的重要工具。图4展示了室温和深度制冷状态下的成像对比，红线是下方成像输出和对应像元的对比位置，制冷后，显著降低了暗电流和导致的噪声；从图像整体成像质量看，深度制冷使得噪声像素大大降低。

图14. 室温和深度制冷状态下成像图像对比。

深度制冷CCD相机采用Teledyne e2v背照传感器，量子效率高达95%，填充因子为100%。结合PentaVac™真空技术，实现-90℃深度制冷，暗电流<0.0001 e/p/s，读出噪声（rms）<3.5 e @ 75 kHz。其产品适用于定量科学成像、生物医学成像和天文观测等高端科研应用。

ICCD-增强CCD

图16. ICCD框图，图源：Teledyne Vision Solutions

图17. 时间门控拉曼

ICCD是最早用于微弱光探测器的成像相机之一，将像增强器和CCD传感器耦合，大大增强了CCD在微弱光探测过程中的灵敏度。像增强器由光阴极，微通道板，荧光屏组成，通过光纤束与CCD耦合。受光阴极材料的限制，ICCD的量子效率一般不超过50 %，这是ICCD与EMCCD和sCMOS相比主要的缺点；ICCD的核心优势是像增强器可以整合电子快门（控制微通道板的电压），从而实现ns甚至ps级的门控，使得ICCD在时间相关的弱光探测器应用，如时间门控拉曼，时间分辨荧光实验，激光诱导荧光成像等应用中，具有比EMCCD和sCMOS更优秀的性能。

图18. ICCD Condor

参考资料

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.