2026-08-04
文章来源：富泰科技
在量子成像、生物荧光显微、单分子探测、天文弱光观测实验中，科研人员长期面临着相机性能的核心瓶颈：在极微弱光信号下，常规相机读出噪声、暗电流噪声会完全淹没有效光子信号。
工业 CMOS和普通制冷 CCD 相机仅适用于强光成像，当目标光强衰减至单光子量级时，高本底噪声、低量子效率、无法分辨单光子计数等缺陷会直接导致实验失效。
富泰科技代理的高灵敏单光子科学相机，专为极弱光、单光子级成像场景研发，突破传统探测器噪声限制，实现单光子级信号分辨、超低暗噪声、高量子效率二维面阵成像，将成为各类前沿弱光研究的核心探测设备。
01什么是单光子科学相机
单光子科学相机核心搭载背照式、深度制冷、电子倍增型探测芯片（EMCCD/sCMOS），依托两大核心技术实现单光子分辨：
1. 低温制冷系统: 大幅抑制暗电流本底噪声;
2. 片上信号倍增 / 超低读出电路：EMCCD 通过电子倍增增益放大单光子信号，背照 sCMOS 采用低噪声读出架构，可区分单个光子激发的电荷信号，输出光子计数图像。
基础的探测原理：入射单光子撞击探测器感光层产生光生电子，低温环境消除热激发暗电子干扰，电路将微量光电子信号放大、数字化，逐像素统计光子数量，输出二维光子分布成像。
单光子科学相机的核心参数主要围绕以下几点：
1. 光谱响应区间
2. 峰值量子效率 QE
3. 读出噪声
4. 暗噪声
5. 帧速
02新一代sCMOS相机性能表现
EMCCD技术凭借其强大的增益特性在光子级信号成像领域占据主导，但存在分辨率低、读出速度慢等局限性；而普通sCMOS相机读出噪声通常在1 e-~1.5 e-之间，难以分辨单光子信号。为解决上述行业难题，富泰科技代理的新一代sCMOS相机Qbit 4610已全新推出。
图 1 Qbit 4610实物图
在性能表现上，Qbit 4610丝毫不输于EMCCD：
1. 量子效率高：460 nm波段，Qbit 4610量子效率＞85%，具备优异的光子捕获能力，在离子阱、拉曼散射及天文幸运成像中，可提高携带信息的光子收集效率，提升光子统计置信度。
图 2 光谱响应范围及对应QE
1. 亚电子级读出噪声：在标准工作模式下，Qbit 4610读出噪声仅为0.3 e- rms，意味着相机本身的噪声背景低于单个光子信号强度，使得传感器能够识别并计数每一个到达像素的光子。
2. 暗电流极低：暗电流实测值仅0.009 e-/pixel/s @-30°C，为天文观测与拉曼光谱所需的长曝光与积分成像提供保障。
3. 高分辨率与高帧率：基于4096×2304的高分辨率下，保持120FPS，在保持低噪声特性同时实现全分辨率下高帧率数据输出，不用在帧率和分辨率上做取舍。
4. 超高数据传输链路：采用USB3.1 Gen2高速接口设计，大幅降低满帧率读出时的接口瓶颈，有效数据带宽＞900 MB/s，实现16 bit数据的高速连续传输，在单光子实验中完整保留RAW数据。
并且，Qbit 4610采用了两大核心技术，保障对光子的分辨和计量：
1. 像素级隔离架构技术：通过在像素单元层面引入深沟槽隔离结构，形成物理屏障有效抑制光电子向相邻像素扩散，从而解决传感器常面临的像素间光学串扰和调制传递函数MTF下降的痛点，实现高灵敏度和高分辨率的完美结合。
2. 亚电子噪声分辨技术：通过采用定制化的低噪声读出电路和精密的制冷控温技术，在标准读出频率120 fps下，Qbit 4610读出噪声压至0.43 e- rms，使得相机本底噪声远低于单个光子的信号强度，保证Qbit 4610识别和统计到达像元的光子数量。在慢速读出频率25 fps下，Qbit 4610读出噪声可进一步降低到0.3 e- rms。
03新一代sCMOS相机性能表现1. 量子计算
中性原子量子计算体系中，原子被光镊束缚于真空光学晶格内，有序排列构成大规模量子比特阵列。单光子科学相机通过捕捉单个原子受激辐射的荧光信号，精准定位每一粒原子的空间位置，并依据荧光有无区分原子量子态。该场景对探测器提出严苛要求：必须具备超低噪声、超高量子效率，杜绝误计数 —— 若相机噪声过高、灵敏度不足，原子无荧光时也会产生虚假信号，造成量子态读取误判。Qbit 4610凭借0.3 e-读出噪声准确判别量子比特的状态，并结合4096×2304大靶面单次可覆盖更多量子比特，提升量子计算的读出效率。Qbit 4610还开放了FPGA编程，能够根据需要，把 “图像采集 + 量子态判别 + 量子反馈控制” 全部集成在相机硬件端，解决通用计算机无法满足的超低延迟、高并行、强同步刚需。
2. 天文观测
天文目标普遍为单光子级极弱辐射：深空星系、星云、脉冲星、气辉、系外行星凌星信号，地面 / 空间天文台均采用深制冷单光子科学相机。高红移星系光子通量极低，优秀的暗噪声可以长时间积分捕捉宇宙早期微弱星光。Qbit 4610可以940万像素大视场120 fps高帧率进行幸运成像，极短曝光时间冻结大气抖动，筛选清晰的多帧进行叠加。
3. 拉曼光谱
相机像素对应样品微区位置，一次性采集整片样品拉曼信号分布，绘制组分、应力、缺陷二维分布图；单光子计数模式捕捉纳米尺度微弱拉曼散射。Qbit 4610凭借亚电子噪声分辨技术，及线性度与像素一致性的特征，可为拉曼光谱成像提供纯净的光谱数据。
04结语对于需要捕捉极微弱光信号、定量统计单光子、开展低光强精密成像、大规模中性原子阵列量子态读取的科研人员而言，单光子科学相机不只是一台成像探测器，更是解锁微观极弱光世界、支撑下一代中性原子量子计算平台的核心观测工具。
从量子纠缠光子探测、中性原子大规模量子比特读取、单分子生物显微，到天文弱光观测，大量前沿科研场景都对探测器提出了单光子极限灵敏度、低噪声、二维面阵成像、光子定量分辨的复合需求。富泰科技长期聚焦量子、生物、天文等弱光探测赛道，针对多领域复合探测需求推出系列高性能单光子成像设备。
