从信号探测到光子解析，单光子级相机的真正价值是什么？

从“连续”到“颗粒”：科学成像的极限边界

在宏观认知中，光似乎连续而稳定；但在微观尺度下，光的本质却是离散光子。

这也意味着，当科学成像不断逼近观测极限时，系统面对的不再是连续光信号，而是随机且极其微弱的单光子级信息。

围绕光子级信息获取与测量发展的单光子探测技术，正成为新一代高端科学仪器与先进制造的重要技术基础。

1.光子级信息研究的核心挑战：被“噪声”淹没的真相

在光子信息前沿研究领域，成像实验面临一个共同的极限挑战：信号极其微弱，每个像素可能仅有几个光子信号。

图1：单分子荧光信号(左)，单原子级离散荧光亮点(右)。

在这一极限条件下，相机的问题并非只是“看不清”，而是系统噪声与真实信号叠加，导致有效信息被淹没。

此时，评价相机性能的标准发生了根本的变化：不再是“信号是否足够强”，而是能否控制自身噪声，实现对光子信息的可靠解析与定量探测。

2.单光子级相机的真正价值：不引入“额外测量误差”

对于相机技术而言，存在一条关键分界线：

当相机系统读出噪声低于单光子信号幅度时，相机系统的灵敏度极限，将逐步由相机电路噪声，转为由光子信号的统计涨落（散粒噪声）主导。

图2：Aries 6504系列单光子级高速sCMOS相机

这也是单光子级相机的真正价值：不是“增强信号”，不仅仅是“更高灵敏度”，而是尽可能不引入额外测量误差，实现对真实光子信息的可靠解析。

图3：Aries 6504 Pro 和当前主流BSI-sCMOS实测对比。相同条件下，Aries 6504 Pro图像信噪比更优。

3.单光子探测技术演进变化：从“单点探测”到“动态测量”

单光子探测并不是一项单一的技术，而是一个从“单点探测事件”到“动态还原时空”的演进过程。

01 维度的起点：单点探测技

代表性技术：包括光电倍增管（PMT）、单光子雪崩二极管（SPAD），其核心目标是解决“是否探测到光子”。它能提供极致的时间分辨率（皮秒级），至今仍是荧光寿命分析、单光子计数及基础量子物理实验的核心。

图4：PMT技术架构。

局限性： 无法直接提供空间位置信息。如果要还原图像，需要配合复杂的扫描系统，这极大限制了观测动态过程的效率。

02 维度的飞跃：面阵成像时代

随着研究对象从“单点事件”扩展至“空间成像 + 动态过程分析”，面阵单光子成像技术迎来了两次技术路线演进：

① 第一代：“信号放大” 路线(ICCD和EMCCD)

采用“先增强 / 放大，再读出”的技术思路，首次实现了极弱光的二维图像。

图5：ICCD（左）和EMCCD（右）技术架构。如图所示，ICCD 信号在外部像增强器MCP阶段被随机雪崩倍增，仅适合事件探测，不适合定量成像；EMCCD信号放大发生在芯片内部，相比ICCD更适合定量分析。

局限性：ICCD和EMCCD本质上都属于倍增技术路线，存在统计噪声大、线性度差、低帧率等核心局限性，仅适用于静态极弱光成像，难以满足高速动态定量成像的综合要求。

② 第二代：“真实解析” 路线(超低噪声CMOS)

随着CMOS技术的发展，第二代面阵单光子成像开始进入了以背照式CMOS为代表的“直接读出”阶段。

图6：CMOS技术架构。CMOS 核心工作流程是一个“光子-电荷-电压-数字信号”的线性读出过程。虽然不同厂商技方案存在差异，但背照式CMOS的本质均是在 CMOS 技术平台基础上，通过对底层噪声的极致优化，实现对单光子级信号的直接解析。

核心优势：超低噪声CMOS相比第一代倍增技术路线，具备更高时间分辨能力、更高动态范围和更稳定线性响应，更适合动态定量成像。

鑫图 Aries 6504 系列 单光子级高速相机所代表的，正是"超低噪声CMOS"这一技术路线向“高速化、稳定化与系统化”发展的工程化实现。

4.单光子级相机如何选型？能力边界与常见误区解析

“单光子级”相机技术目前仅在少数科研领域实现应用，很多用户不清晰其能力定位，容易陷入参数化误区。

01 单光子级灵敏度等级如何判断？

在单光子级成像领域，不同系统之间的性能差异并不只是“噪声数值”的差异，而是是否具备统计意义上的光子分布解析能力。

图7：鑫图Aries 6504 Pro单光子统计直方图。如图所示鑫图Aries 6504 Pro在0.4e⁻ 读出噪声水平下，已具备统计意义上的单光子分辨能力，可实现准PNR（photon number resolving）级单光子信息解析。

单光子级能力判据

目前主流 EMCCD 与低噪声 sCMOS 通常处于“单光子探测级”与“准PNR”区间，而真正的PNR能力需要依赖超导纳米线单光子探测器(SNSPD)等特殊探测体系，而此类技术仍处于科研与实验室验证阶段。

02

读出噪声越低，定量能力越强吗？

读出噪声仅仅决定单光子级信号是否“可被检测”，并不等于系统整体定量解析能力。当进入单光子区后，相机性能不再由单一噪声指标主导，而是由多维因素共同决定，主要包括：

量子效率

像素结构

帧率与时间分辨

系统线性响应

特别是在动态成像场景中，系统在单位时间内获取的有效光子数量，将直接决定信噪比与信息完整性。

03

“芯片参数”等同于“相机性能”吗？

尽管传感器芯片决定了理论性能上限，但相机的成像性能取决于全链路设计能力，包括信号探测、处理、传输到图像生成等。

图8：图像形成链路示意图

在极限光子级条件下，这个过程的任何微小误差会被放大。因此，即使采用相同芯片，不同厂商相机的实际性能仍可能存在明显差异。

图9：成像品质对比示例。

5.

鑫图单光子级成像技术优势

从“极限灵敏”到“系统定量”

鑫图 Aries 6504 系列产品的定位，不只是传统意义的高灵敏度相机，而是单光子级成像设备的工程化载体。它具备了驱动光子成像技术向“可重建、可定量、系统化”进化的能力，为构建复杂实验与严苛工程应用提供了可靠的保障。

01 单光子级技术工程化能力

鑫图基于物理探测特性，对单光子能力进行了工程化分级，并通过不同读出模式与产品平台实现能力覆盖与应用匹配。

Aries 6504系列产品能力矩阵

Aries 6504 Pro 单光子准PNR旗舰机型

覆盖高灵敏 / 高速 / 高动态三模式， 面向准PNR级精密定量与前沿科研应用。

Aries 6504 单光子探测标准机型

聚焦高速 + 动态范围，面向工程化动态成像与高通量设备应用。

Aries 6504系列三种读出模式核心参数及典型应用

02 系统级线性度保障

鑫图构建了贯穿“信号产生”至“图像输出”的全链路保障体系，依托高可靠制冷与精密热控技术，保障长时实验中线性映射关系的零漂移，确保每一颗光子的定量表征都具备严谨的科学性。

图10：鑫图光电实验室实测的Aries 6504光响应曲线（99.94% 线性度）。

03 产品品质与可靠性验证能力

鑫图不仅确保指标的科学严谨性，同时强调前沿技术在复杂工程环境中的生存力。我们依托三大专业可靠性实验室，确保每一台出厂设备均达到国际一线品质标准：

相机出厂逐台标定核心性能参数并提供测试报告，确保科研复现与工程部署的一致性需求。

标准品平均无故障工作时间 (MTBF) ≥ 5 年，支撑高强度的连续工作任务。

全系标准品提供 2 年质保，并针对特殊项目提供定制化的可靠性指标测试服务。

文章技术指导 Technical Advisor

娄锋 鑫图光电 | 产品总监

深耕科学成像行业20余年，负责主导高端科学成像设备的研发与市场化落地。曾任职多家国际科学仪器企业并担任高管，深谙科学相机产业上下游核心技术与应用趋势。

单光子成像技术正在完成从“信号探测”到“统计解析（准PNR）”的底层跨越，并进一步迈向系统级动态定量成像时代。鑫图 Aries 6504 系列产品已在前沿实验室完成单光子级能力验证，并助力实验取得关键进展。欢迎联系鑫图专业工程师团队，获取更多单光子级产品专业技术资料或申请样机测试。