在探索微观生命活动、捕捉量子级信号或解析高速运动轨迹时，科学家和工程师们始终面临着一个核心挑战：如何在微弱的光线环境中，既清晰地“看见”，又快速地“捕捉”？
突破光影极限：SPAD相机如何重塑低光与高速成像的未来
一.简介
单光子雪崩二极管（SPAD）与电子倍增电荷耦合器件（emccd）相机是成像领域的两项重要技术，各自具备适合特定应用场景的独特优势。EMccd相机因其低暗电流特性及弱信号放大能力而备受关注，而SPAD则具有极高的读出速度并能探测单个光子，使其成为弱光与高速应用场景的理想选择。
理解二者的差异与优势对选择合适工具至关重要。除卓越的弱光成像能力外，SPAD还具备EMCCD技术无法实现的高动态范围与高速成像特性。特别值得一提的是，SPAD 512配备的时间门控功能可用于研究荧光寿命成像（FLIM）等时变信号，通过时间特征实现分子识别。这些应用领域将后面章节详细探讨。
单光子相机研发面临的主要挑战在于寻求zui佳灵敏度与zui低噪声，从而实现更高的信噪比（SNR）。本文首要目标是论证SPAD相机（SPAD 512）在弱光环境下的性能，并将与EMCCD相机进行信噪比性能方面的对比；其次，将通过移动荧光微球实验来探讨SPAD 512的高速成像优势。
二.理论
信噪比（SNR）是成像领域中广泛使用的关键指标，用于判断图像是由目标信号主导还是由噪声主导。在成像领域，噪声被定义为像素值中掩盖真实信号的非预期随机变化或波动。这些变化可能源自多种因素，并取决于所使用的光子探测技术。下文将讨论主要噪声源及其对SPAD 512和EMCCD相机测量的影响：
散粒噪声：又称泊松噪声，是所有基于粒子测量的固有噪声源，其定义为σ散粒噪声=√ni（ni为探测到的光子数）。灵敏度越高，散粒噪声对信噪比的相对影响越小。
暗噪声：由热效应导致的无光照载流子产生。SPAD 512在室温下通常产生10计数/秒（cps）的暗噪声，而用于对比的EMCCD相机在-80°C冷却条件下产生的暗电流为0.0003 e-/像素/秒。
读出噪声：由于SPAD采用直接光子数字化转换技术，其读出噪声可忽略不计——因为脉冲幅度通常比读出噪声高10000倍。EMCCD的读取噪声也近乎为零：虽然传感器本身存在读取噪声，但电子倍增步骤会在读出前放大信号，使读出噪声从89 e-降至1 e-。
时钟感应电荷噪声：该噪声仅存在于EMCCD相机中，由时钟过程中产生的非预期电荷所致，表现为图像中的伪尖峰（尤其在高压EM增益时）。这种噪声在普通CCD中会被读出噪声和热噪声等其他噪声掩盖，但在EMCCD中因电子倍增增益而显著，尤其在弱光条件下。
过量噪声：EMCCD相机的电子倍增会产生约1.4（即2的平方根）的过量噪声系数，该系数在较大增益范围内保持稳定。
下表（1）展示了下一节将对比的两种相机的技术参数。
表（1）两种相机的参数对比
EMCCD camera | SPAD 512
| |
Sensor size
| 8.2 mm
| 8.4 mm
|
Resolution
| 512 × 512 px
| 512 × 512 px
|
Pixel active area size | 16 µm × 16 µm | 16 µm × 16 µm |
Peak QE （at 520nm） | 95%
| 50%
|
Excess noise factor
| 1.4
| x
|
Readout noise
| 89 e-
| 0
|
Median dark noise
| 0.00030 e-/pix/sec
| 10 cps
|
Maximum frame rate
| ||
1 bit
| x
| 100’000 fps
|
5 bits
| x
| 6’500 fps
|
10 bits
| x
| 400 fps
|
12 bits
| x
| 100 fps
|
16 bits
| 56 fps
| x
|
Minimum integration time | ||
1 bit
| x
| 0.02 µs
|
5 bits | x
| 0.32 µs |
10 bits
| x
| 5 µs
|
12 bits
| x
| 20 µs |
16 bits
| 100 µs
| x |
信噪比计算方法
具体流程如下：首先采集100幅带有目标信号光照的图像，计算平均强度I及其标准偏差STD的分布图。随后在无入射光条件下采集100幅图像以计算平均偏置B。通过这种方式，可以得出目标信号实部I-B。信噪比zui终由以下公式定义：
三.实验装置描述
本节阐述比较SPAD 512与EMCCD摄像机的两项实验参数及条件。以下是两项实验共有的基础参数配置：两台摄像机观测同一视场并接收相同入射光源。针对SPAD 512需采用堆积效应校正：由于该摄像机对光信号呈非线性响应，实际探测光子数N_actual会高于测量光子数N_measured。该效应仅在高光子计数率时显著，通过以下公式进行堆积校正可恢复线性特性，将测量光子量转换为SPAD实际探测光子量：
得益于这一校正技术，原本10比特的计数器位深使得SPAD 512相机在进行堆积校正后能计数高达7,098个光子，而非原先的1,024个，从而将位深提升至12比特。我们的15比特模式可实现高达90分贝的动态范围。
实验A：在第1个实验中，两台相机通过显微装置接收来自520纳米反射激光源的均匀光照射。EMCCD相机采用5毫秒积分时间，而SPAD 512相机则使用0.5毫秒积分时间。EMCCD相机设置了三种不同增益值：20、50和100。随着激光功率增强，入射光子数量递增。为计算SPAD 512的入射光子数I 512，我们只需将检测到的光子数除以系统的光子探测效率即可。随后，由于两台相机都暴露在相同的光强下，EMCCD相机的入射光子数I_EMCCD通过公式I_EMCCD = I_512 × （t_EMCCD / t_512）计算得出，其中t_EMCCD和t_512分别表示EMCCD相机与SPAD 512相机的积分时间。
EMCCD相机工作在16位模式下，而SPAD 512则采用12位模式工作（经过堆积校正后等效为15位模式）。
图（1）中EMCCD相机SNREMCCD的模拟信噪比曲线由以下公式给出：
其中n为入射光子数，κ为过量噪声因子，σ为读出噪声。在低光子水平下，读出噪声占主导地位，限制了信噪比。在较高光照条件下，读出噪声的影响可忽略不计，此时过量噪声因子成为主要限制因素。当增益为20时，κ设定为1.4，σ设定为5.5e-；当增益为50和100时，σ设定为1.2e-。
用于SPAD 512的模拟信噪比曲线描述见文献。
实验B：在第二个实验中，我们观察荧光微珠在机械载物台上的运动情况。这些微珠是直径为0.175微米的微球，经激光激发后在550纳米波长处发光。两台相机均以所用位深下的zui高帧速运行：EMCCD相机在16位模式下为56帧/秒，SPAD 512相机在8位模式下可达1600帧/秒。
四.结果与讨论
传统EMCCD相机通过电子倍增（EM Gain）放大微弱信号来应对低光环境。然而，这一过程本身会引入显著缺陷：
1. 过剩噪声因子（~1.4）：电子倍增过程具有统计涨落，本质上将信号噪声放大约40%，显著降低了有效灵敏度。
2. 动态范围急剧缩水：提高EM Gain以压制读出噪声的同时，传感器极易饱和。实验表明（图1），在Gain=100时，仅约2000个入射光子就能导致EMCCD饱和，严重限制了其捕捉明暗差异巨大场景的能力。
图（1）:EMCCD相机和SPAD 512之间的SNR比较，使用em CCD的3种不同增益（20、50和100）。灰色和黄色虚线对应于两种技术的模拟响应。增益为20时，模拟EMCCD的读出噪声为5.5，增益为50和100时，读出噪声为1.2 e-。
3. 时钟诱导电荷（CIC）噪声：EMCCD特有的噪声源，在高增益下表现为图像中的伪影尖峰，尤其在极弱光条件下更为凸显。
4. 速度瓶颈：受限于电荷转移和读出架构，其zui高帧率（如16bit模式下仅56 fps）在捕捉快速动态过程时力不从心，导致图像模糊（图2）。
图（2）:使用EMCCD相机（56 fps）和SPAD512 （1'600 fps）拍摄的移动荧光珠的图像。
五.SPAD 相机的特点
SPAD 相机：单光子感知，重塑成像规则
SPAD技术采用了截然不同的光子探测机制：每个像素都是一个独立的、可被单个光子触发的“盖革模式”雪崩二极管。SPAD 相机的核心优势，正是源于其本质上的单光子灵敏度和独特的数字读出方式：
1. 终ji低光性能：单光子计数，噪声近零
直接光子数字转换：光子触发雪崩，产生易于检测的大幅度电脉冲（脉冲幅度>>读出噪声），读出噪声理论上为零。无需像EMCCD那样依赖后级放大来克服读出噪声。
极低暗噪声：室温下仅约25 cps（每秒每像素计数），远低于大多数弱光应用的需求。结合其单光子灵敏度，可在极微弱光线下清晰成像。
卓越的实测SNR：在低入射光子数区域（弱光），SPAD 相机的SNR显著优于使用低增益（Gain=20）的EMCCD。即使EMCCD提高增益（Gain=50, 100）压制了读出噪声，其SNR也仅能与SPAD 相机在特定低光区间相当，且付出了动态范围大幅缩小的代价。SPAD 相机无需调整“增益”，天生即提供优的低光SNR。
2. 超凡速度：冻结时间，捕捉瞬息
超高帧率：得益于并行数字读出架构，SPAD 相机的速度令人震撼，以SPAD512²型号的SPAD相机为例：
1bit （单光子探测模式）：高达100,000 fps 捕捉ji端的超快现象。
4bit：6,200 fps 高速粒子追踪、流体动力学研究的利器。
8bit：400fps 轻松解析快速生物过程。
超短积分时间：zui低可达0.02微秒，为时间分辨成像奠定基础。对比实验中（图2），当荧光微珠高速移动时，EMCCD（56 fps）图像严重模糊，而SPAD 512²（1600 fps）则能清晰、锐利地定格每一帧运动轨迹。
3. 宽广动态范围与堆叠事件校正
非线性校正突破限制：SPAD像素在极短时间窗口内只能检测一个光子（死时间），导致高光时响应非线性（“堆叠事件”）。SPAD 512²通过创新的堆叠事件校正算法（基于公式 `N_actual = ln（1.0 N_measured/（2^bitdepth1）） （2^bitdepth1）`）将测量值 `N_measured` 转换为实际探测到的光子数 `N_actual`。
扩展有效动态范围：例如，原始10bit计数器（Max1024）经校正后，可精确计数高达约7098个光子，等效于12bit的动态范围。其15bit模式更可提供高达90 dB的宽动态范围，使其能够同时清晰呈现场景中微弱和明亮的细节，这是高增益下动态范围严重受限的EMCCD难以企及的。
4. 精确时间门控：解锁荧光寿命成像（FLIM）等尖端应用
SPAD 512²的核心优势在于其精确到皮秒级的时间分辨能力。每个探测到的光子都带有精确的时间戳。
时间门控（Time Gating）：此功能允许相机仅在特定时间窗口内“开门”接收光子（例如，在激光脉冲激发后的特定延迟时间）。
革命性FLIM应用：这是SPAD 512²的王pai领域。FLIM通过测量荧光分子发出光子相对于激发脉冲的延迟时间（即荧光寿命）来提供分子环境信息（如pH值、离子浓度、分子相互作用），对生物医学研究至关重要。
克服传统点扫描FLIM限制：传统单点FLIM探测器受“死时间”限制，为避免光子“堆叠”，探测率通常限制在激光重复频率的10%以下，且会系统性地丢失“晚到”的光子，导致寿命测量偏差。SPAD阵列相机（如SPAD 512²）通过将光子分散到成千上万个像素上进行并行探测，从根本上消除了堆叠限制和死时间偏差，实现了高速、宽场、视频速率的精确FLIM成像。
六.应用场景：从微观生命到量子前沿
SPAD 512²的优势使其成为多个前沿领域的理想工具：
生物医学研究与显微镜技术：
超高灵敏度活体成像，观测极微弱荧光标记的细胞过程。
高速成像追踪细胞器运动、神经信号传递或细菌游动。
宽场视频速率FLIM：实时监测细胞代谢状态、蛋白质相互作用、药物分布等，为疾病机理研究和药物开发提供强大工具。
量子科技：
量子成像：高效探测纠缠光子对等量子光源。
量子通信（QKD）：作为单光子探测器，是量子密钥分发接收端的关键组件。
量子计算：用于表征量子比特发出的单光子信号。
高速工业检测与机器视觉：
监控高速生产线上的缺陷检测（如玻璃、半导体）。
分析快速流体动力学、喷雾或燃烧过程。
低光环境下的安防监控与自动驾驶感知（潜力领域）。
时间相关应用：
激光雷达（LiDAR）：高精度、高分辨率3D成像。
时间分辨光谱：研究材料中的超快能量转移过程。
Pi Imaging的SPAD 512²相机，凭借其本质的单光子灵敏度、近零的读出噪声、超高的帧率（可达10万fps）、宽广的动态范围（经校正可达90dB）以及革命性的皮秒级时间分辨能力，为低光和高速成像领域树立了新的标杆。
它不仅在信噪比上超越了传统EMCCD技术在弱光场景下的表现，更通过其无与伦比的速度和独特的时间门控功能，解锁了如宽场视频速率FLIM、超高速粒子追踪、量子态探测等EMCCD难以企及的应用场景。在追求性能的科研探索和高端工业应用中，SPAD 512²²不再仅仅是一个相机，而是一个洞察微观shi界、捕捉瞬间永恒、探索量子奥秘的关键使能工具。
当光的信号微弱到以单光子计数，当运动的速度快到以微秒衡量，SPAD技术正照亮那些曾经不可见的领域，推动着人类认知和产业创新的边界不断拓展。选择SPAD，就是选择站在成像技术的前沿。
在探索微观生命活动、捕捉量子级信号或解析高速运动轨迹时，科学家和工程师们始终面临着一个核心挑战：如何在微弱的光线环境中，既清晰地“看见”，又快速地“捕捉”？
在探索微观生命活动、捕捉量子级信号或解析高速运动轨迹时，科学家和工程师们始终面临着一个核心挑战：如何在微弱的光线环境中，既清晰地“看见”，又快速地“捕捉”？传统的电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）相机曾是这个领域的佼佼者，但如今，单光子雪崩二极管（SPAD）阵列相机，如Pi Imaging的SPAD 512²，正以其颠覆性的性能，重新定义低光高速成像的边界。
低光成像的痛点：当信号湮没在噪声中，无论是观察活体细胞内的荧光标记、追踪高速运动的粒子，还是进行量子通信实验，核心需求都是Max化信噪比（SNR）。SNR决定了图像中真实信号与背景噪声的对比度，是衡量成像质量的金标准。
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