濱松ORCA-Quest qCMOS科研級(jí)相機(jī)介紹

濱松相機(jī)，從未停止追求巔峰的腳步

qCMOS：從低噪聲到光子定量（Photon Number Resolving）

圖像質(zhì)量是成像中的核心關(guān)注點(diǎn)，可以通過兩個(gè)概念予以評(píng)價(jià)：信噪比和分辨率。關(guān)于相機(jī)成像的信噪比，主要與4個(gè)因素相關(guān)：

（1）樣品信號(hào)的強(qiáng)度和顯微鏡物鏡等光學(xué)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的收集能力；

（2）曝光時(shí)間，一般而言，延長(zhǎng)曝光時(shí)間會(huì)帶來信噪比的上升，但會(huì)犧牲幀速；

（3）量子效率；

（4）讀出噪聲。

從相機(jī)的角度，量子效率與讀出噪聲分別對(duì)應(yīng)了信號(hào)與噪聲，其比值越高，信噪比也就越高。完美的定量相機(jī)（Quantitative Camera）一直是濱松孜孜不倦追求的方向，而信噪比的不斷提升則是其中的核心。

相機(jī)成像中，信號(hào)中的光子在像素中轉(zhuǎn)化為電子被收集——稱之為光電子。光子定量就是通過精確定量光電子的方式得到每個(gè)像素所收集到的光子數(shù)目。

在光子轉(zhuǎn)換為光電子之后，光電子會(huì)在相機(jī)芯片中轉(zhuǎn)化為電壓/模擬信號(hào)。雖然會(huì)有一個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)存在（例如0.16 mV/電子），但是由于讀出噪聲的原因，當(dāng)一個(gè)像素中有3個(gè)光電子時(shí)，讀出的電壓并不一定就是 3e x 0.16mV/e = 0.48 mV，而是一個(gè)0.48 mV左右的一個(gè)不確定的電壓數(shù)值，可能是0.43 mV，也可能是0.62 mV；粗略地說，讀出噪聲越大，這個(gè)不確定性就越大。這就意味著，如果讀出噪聲比較大，當(dāng)相機(jī)芯片中讀出0.48 mV的時(shí)候，對(duì)應(yīng)像素中的光電子可能是3個(gè)，也可能是2個(gè)，4個(gè)，甚至1個(gè)，5個(gè)。

但如果讀出噪聲足夠小，就不會(huì)出現(xiàn)上述情況——當(dāng)讀出0.48 mV的時(shí)候，我們就能確定對(duì)應(yīng)像素上是3個(gè)光電子，而非其他。通過概率理論計(jì)算，當(dāng)RMS讀出噪聲（Readout noise rms，更多介紹參考《sCMOS相機(jī)的讀出噪聲》一文（

http://share.hamamatsu.com.cn/specialDetail/1178.html） 為0.3e 時(shí)，這個(gè)準(zhǔn)確度達(dá)到90%以上。

濱松ORCA-Quest qCMOS相機(jī)的最低讀出噪聲為0.27e rms，這就是qCMOS相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)光子定量功能核心。用戶可以直接讀出每個(gè)像素中精確的光電子數(shù)目，從而獲得像素所收集的光子數(shù)目，即光子定量（Photon Number Resolving）。

qCMOS光子定量（Photon Number Resolving） vs EMCCD的光子計(jì)數(shù)（Photon Counting）

qCMOS具有光子定量的功能，而EMCCD也有一個(gè)聽上去非常類似的光子計(jì)數(shù)功能——這兩者從原理到效果卻是完全不同的。

qCMOS中光電子被直接轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由于壓制了這個(gè)過程中的讀出噪聲，我們能夠精確地區(qū)分像素中有3個(gè)光電子還是4個(gè)光電子，甚至是571個(gè)光電子還是572個(gè)光電子。

但在EMCCD中，電子轉(zhuǎn)換電壓這一步驟中地讀出噪聲并不低，通常在幾十個(gè)電子這個(gè)水平。為了增加信噪比，EMCCD會(huì)把像素中的光電子在電場(chǎng)中加速，加速的電子轟擊材料產(chǎn)生更多的電子，這種電子倍增過程通常會(huì)將一個(gè)電子的信號(hào)放大到幾百上千個(gè)電子，所以在這種情況下，幾十個(gè)電子的讀出噪聲通常就可以忽略了。

利用這個(gè)原理，EMCCD能夠非常容易地區(qū)分像素中光電子的有無，沒有光電子，信號(hào)就是0；一旦有1個(gè)光電子，信號(hào)就會(huì)是幾百上千，非常容易分辨。所以當(dāng)光信號(hào)非常弱——以至于每個(gè)像素上只有1個(gè)光電子或沒有光電子地時(shí)候——我們就能夠通過上述效應(yīng)，非常容易地區(qū)分，而不受幾十個(gè)電子的讀出噪聲的影響，這就是EMCCD光子計(jì)數(shù)模式的原理。

qCMOS具有光子定量的功能，而EMCCD也有一個(gè)聽上去非常類似的光子計(jì)數(shù)功能——這兩者從原理到效果卻是完全不同的。從上述描述可知，EMCCD的核心是在電子倍增這個(gè)過程，但也正是在電子倍增這個(gè)過程中，會(huì)產(chǎn)生額外的不確定性（有時(shí)被稱為乘性噪聲），一個(gè)光電子經(jīng)過倍增，可能變成了300個(gè)電子，也可能變成了400個(gè)電子。這個(gè)額外的不確定性，使得EMCCD雖然能夠區(qū)分像素中有或者沒有光電子，但不能夠精確定量。

總結(jié)起來，qCMOS由于直接壓制讀出噪聲提升信噪比，在光子定量功能中，不僅能夠區(qū)分0個(gè)或者1個(gè)光電子，還能區(qū)分2，3，4，5一直到571，572個(gè)光電子等等。而EMCCD的信噪比提升來自于電子倍增過程對(duì)信號(hào)的放大，EMCCD的光子計(jì)數(shù)功能（photon counting）能夠區(qū)分0和1，但并不能精確地告訴我們像素中究竟是3個(gè)還是4個(gè)光電子，就更不用說571個(gè)還是572個(gè)了。

更高的分辨能力——對(duì)背照結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

相機(jī)像素中，光子被硅等半導(dǎo)體材料轉(zhuǎn)換為光電子之后，會(huì)被相應(yīng)的電路收集；這些電路結(jié)構(gòu)會(huì)阻擋光信號(hào)。為了消除這部分信號(hào)損失，背照技術(shù)中將這些電路結(jié)構(gòu)放到了芯片的背后（如下圖）。

在理想的情況下，每個(gè)像素中的光電子會(huì)被本像素的電路通過電場(chǎng)進(jìn)行收集，但在背照芯片中，由于結(jié)構(gòu)畢竟有一定的厚度，收集光電子的電場(chǎng)可能并不容易將本像素對(duì)應(yīng)的光電子全部收集——一部分光電子會(huì)擴(kuò)散到相鄰像素中，造成相機(jī)分辨率的下降。這也是為什么一般而言，前照式相機(jī)的分辨率會(huì)優(yōu)于對(duì)應(yīng)參數(shù)的背照式相機(jī)。

在濱松ORCA-Quest qCMOS相機(jī)中，我們采用了溝槽結(jié)構(gòu)（Trench Structure），阻擋了相應(yīng)的光電子擴(kuò)散，提升了相機(jī)的分辨率。

如上所述，濱松對(duì)于背照CMOS的相機(jī)芯片進(jìn)行了改進(jìn)，推動(dòng)著成像質(zhì)量一點(diǎn)一滴的提升。分辨率僅僅是其中的一個(gè)方面，在下圖中，我們還能看到，濱松ORCA-Quest相機(jī)同時(shí)還解決了背照芯片在近紅外成像中出現(xiàn)干涉條紋的問題。

低噪聲與高幀速——魚與熊掌可以兼得

濱松不僅做到了行業(yè)巔峰的信噪比，在速度上也絕不妥協(xié)，ORCA-Quest在940萬像素，4096x2304這樣的分辨率下能夠做到120幀/秒，選擇合適大小的ROI甚至能將幀速提升至72521幀/秒。

sCMOS雖然比EMCCD大大提升了分辨率和幀速，但是在最高幀速模式下，噪聲通常也比較高，例如讀出噪聲最低的sCMOS相機(jī)FusionBT在最高速時(shí)的讀出噪聲是1.4e rms. 而ORCA-Quest在全幅高達(dá)4096x2304這樣的分辨率下高速檔120幀/秒時(shí)，讀出噪聲也只有0.43e rms——這比FusionBT的最低速檔，也就是讀出噪聲最小的檔0.7e rms還要低。在實(shí)現(xiàn)高速的同時(shí)，保持超低的噪聲。

參數(shù)