qCMOS相機與EM-CCD相機 – 光子計數(shù)相機的性能比較

在提供適合客戶需求的科學(xué)相機時，傳統(tǒng)趨勢是使用超靈敏 EM-CCD(電子倍增 CCD)相機在極低光照區(qū)域進行測量，以及大像素數(shù)的 sCMOS(科學(xué) CMOS)相機，在相對明亮的區(qū)域具有高速度和高動態(tài)范圍。與此同時，CMOS技術(shù)不斷發(fā)展，特別是在噪聲特性方面，我們發(fā)布了配備qCMOS(定量CMOS)傳感器的相機，這是一種標(biāo)志著圖像傳感器新時代的曙光的新傳感器。

qCMOS 相機被定位為超靈敏相機，由于其極低的噪聲性能，可提供終極定量成像。因此，在比較 qCMOS 和 EM-CCD 相機時，有必要判斷哪種相機最適合您的應(yīng)用。本文的目的是比較 qCMOS 和 EM-CCD 相機，以幫助您選擇最適合您的應(yīng)用的相機。

傳感器技術(shù)和光子探測性能

本節(jié)介紹從信號采集到后續(xù)數(shù)字輸出的過程，以比較傳感器技術(shù)和qCMOS和EM-CCD相機的光子檢測性能。

圖1顯示了相機從信號采集到數(shù)字輸出的過程。入射到傳感器上的光子根據(jù)傳感器的量子效率以概率轉(zhuǎn)換為光電子。然后，光電子被轉(zhuǎn)換為電壓并由浮動擴散放大器(FDA)放大，隨后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，最后輸出數(shù)字值。

在科學(xué)相機中，這一過程中的噪聲特性極大地影響了極低光區(qū)域的測量。特別是，對于超靈敏相機來說，在光電子信號的數(shù)字轉(zhuǎn)換中盡可能降低讀出噪聲非常重要。

圖 1.從信號采集到數(shù)字輸出的過程

qCMOS和EM-CCD相機使用不同的方法來降低讀出噪聲，從而能夠在單個光電子水平上檢測信號。

qCMOS相機采用超精細CMOS電路技術(shù)，可實現(xiàn)極低的讀出噪聲。如圖2所示，當(dāng)分別讀出1、2、3、...的光電子信號時，qCMOS讀出噪聲足夠低于信號，無法從輸出結(jié)果中精確地確定光電子的數(shù)量。通過這種方式，qCMOS相機提供了最終的定量成像，以便可以區(qū)分輸入的光電子數(shù)。

圖2.qCMOS相機中的讀出過程和光子數(shù)解析

或者，使用EM-CCD相機，雖然讀出噪聲本身非常大，但光電子信號通過電子倍增機制增加(如圖1所示)，與圖3所示的增益信號相比，讀出噪聲相對降低。

然而，由于探測器中的倍增過程總是在信號中產(chǎn)生較大的波動，稱為過量噪聲，因此即使與信號相比，讀出噪聲相對最小，EM-CCD也無法區(qū)分原始光電子數(shù)。因此，盡管EM-CCD相機可以通過電子倍增來檢測讀出噪聲低的單光子級信號，但由于噪聲過大，定量特性會丟失。

圖3.EM-CCD相機中的讀出過程和光子數(shù)解析

表1總結(jié)了本節(jié)中描述的qCMOS和EM-CCD相機的功能比較。

表 1.qCMOS和EM-CCD相機的功能比較

此外，下面還顯示了qCMOS相機和EM-CCD相機之間的實際成像示例。

可以看出，與EM-CCD相機相比，不使用電子倍增的qCMOS相機具有更小的圖像幀間波動，從而實現(xiàn)了高度定量成像。

SNR(信噪比)與像素尺寸考慮因素的比較

本節(jié)通過SNR(信噪比)比較qCMOS和EM-CCD相機，SNR通常用于相機性能的定量討論。

圖4顯示了SNR的公式。(此處省略了EM-CCD中的暗電流和時鐘感應(yīng)電荷(CIC)噪聲。

圖4.信噪比公式

信噪比取決于傳感器的入射光量，因此在按入射光水平比較多個相機時，通常有兩個條件需要比較，即：

1.當(dāng)每個像素的光子強度相等時

2.當(dāng)每個傳感器區(qū)域的光子強度相等時

圖5顯示了qCMOS(ORCA-Quest)、EM-CCD(ImagEM X2)和第三代sCMOS(ORCA-Fusion BT，前幾代ORCA-Quest)在每像素光強相等時的SNR比較，圖6顯示了每個傳感器區(qū)域的光強度相等時的SNR比較。這些圖表顯示了相對信噪比 (rSNR)，其中所有數(shù)據(jù)都歸一化為像素尺寸為 6.5 μm、零噪聲和 100% QE 的假想“完美相機”。

讓我們看一下每個像素的光強度相等的情況(圖 5)。這種情況假設(shè)最佳光學(xué)系統(tǒng)是針對每個相機的像素大小構(gòu)建的。在CMOS相機中，SNR也會隨著光強度的降低而降低，因為無論光強度如何，讀出噪聲都是恒定的。另一方面，EM-CCD相機使用乘法來最小化讀出噪聲，因此信噪比隨光照水平變化不大，但由于倍增波動的持續(xù)存在，信噪比在明亮區(qū)域區(qū)域的SNR小于CMOS相機。因此，傳統(tǒng)趨勢是sCMOS相機在明亮區(qū)域更勝一籌，而EM-CCD相機在低光區(qū)域更勝一籌。然而，隨著CMOS技術(shù)的最新發(fā)展，即使在0.1光子/像素/幀下，qCMOS相機在極低光度區(qū)域的SNR也與EM-CCD相機相當(dāng)。

圖5.每像素光強度相等時的信噪比比較

接下來，讓我們看一下每個傳感器區(qū)域的光強度相等的情況(圖 6)。這種情況假設(shè)相機更換為光學(xué)元件不變。由于CMOS相機的像素尺寸比EM-CCD相機小，因此每個像素的光量更小，因此本比較包括CMOS相機的SNR數(shù)據(jù)，與EM-CCD相比，CMOS相機具有合并功能，可將等效的光量輸入到像素單元中。

圖6.每個傳感器區(qū)域的光強度相等時的信噪比比較

表2顯示了比較條件和適合這些條件的實際情況。

由于CMOS傳感器的架構(gòu)，當(dāng)執(zhí)行NXN像素合并時，每個像素合并像素的讀出噪聲比單個像素的讀出噪聲增加N倍。因此，在用qCMOS相機替換像素尺寸較大的相機時，建議構(gòu)建一個針對qCMOS相機像素尺寸進行優(yōu)化的光學(xué)系統(tǒng)，而無需合并，以最大限度地提高其性能，以便進行公平的比較。

表 2.信噪比比較條件及相應(yīng)情況

qCMOS相機的多功能性

將qCMOS相機與EM-CCD相機進行比較時，qCMOS相機的優(yōu)勢之一是多功能性。qCMOS相機是一種混合相機，它結(jié)合了傳統(tǒng)sCMOS相機的優(yōu)點和與EM-CCD相當(dāng)?shù)臉O低噪聲。以下是可以使用qCMOS相機的應(yīng)用列表。

● 具有極致定量性的超靈敏成像，能夠以較慢的幀速率解析光子數(shù)。

● 高幀率高靈敏度成像(EM-CCD中的幀速率較慢)

● 高動態(tài)范圍的高靈敏度成像(EM-CCD因電子倍增而犧牲動態(tài)范圍)

● 寬視場和高分辨率成像，像素數(shù)大

● CMOS相機中的旗艦暗電流性能，適用于需要長時間曝光的應(yīng)用

EM-CCD相機的主要區(qū)域

圖5和圖6中的相對SNR比較表明，EM-CCD相機在低于0.1光子/像素/幀的極低光區(qū)域性能優(yōu)于qCMOS相機。然而，0.1光子/像素/幀的“絕對信噪比值”非常小，以至于樣本幾乎看不見，埋在噪聲中。圖 7 顯示了使用 Hamamatsu Photonics 的相機仿真引擎對測試圖表樣本(入射光水平：0.1、0.5、1.0、10 個光子/像素/幀，波長：475 nm，成像區(qū)域：512X512 像素，背景光：0，每個圖像相對于自身自動縮放)的圖像模擬。如這些圖像所示，兩臺相機都無法在0.1光子/像素/幀下檢測到大部分樣本，因此這意味著EM-CCD在這種光水平下的SNR優(yōu)勢毫無意義。

圖7.弱光區(qū)域測試圖表樣品仿真結(jié)果

EM-CCD相機使用電子倍增來盡可能減少讀出噪聲，因此在沒有背景光的情況下，黑暗區(qū)域幾乎沒有噪聲，如圖7所示。然而，在存在背景光的實際情況下，背景光也會成倍增加，從而在黑暗區(qū)域產(chǎn)生明顯的噪點。

對于這種極低光區(qū)域的應(yīng)用，成像通常在非常長的曝光時間下進行，以實現(xiàn)可觀察到的信噪比，例如超過 1 個光子/像素/幀。在這種情況下，EM-CCD相機在極低光下區(qū)域進行長時間曝光時仍然比qCMOS相機具有優(yōu)勢，因為傳感器的冷卻性能實現(xiàn)了極低的暗電流。

EM-CCD是一種成熟的傳感器技術(shù)，由于CMOS技術(shù)的不斷發(fā)展，其優(yōu)勢正在逐漸喪失。然而，在實驗中，仍然需要根據(jù)光照水平和曝光時間來判斷qCMOS相機或EM-CCD相機是否具有更好的SNR。

結(jié)論

qCMOS相機是一種混合相機，它結(jié)合了傳統(tǒng)sCMOS相機的優(yōu)點和相當(dāng)于EM-CCD相機的極低噪聲，因此qCMOS相機將為傳統(tǒng)的科學(xué)測量帶來新的突破。

隨著CMOS技術(shù)的不斷發(fā)展，qCMOS傳感器將變得更好。我們希望本文能成為客戶了解qCMOS相機新技術(shù)的起點，并通過比較其與其他光子計數(shù)探測器(如EM-CCD)的性能來選擇理想探測器。

審核編輯 黃宇