科學(xué) CMOS (sCMOS) 圖像傳感器

成像技術(shù)的最新發(fā)展，科學(xué) CMOS (sCMOS) 傳感器同時(shí)提供高靈敏度、快速讀出速度和低噪聲，且不會(huì)增加與 EM-CCD 相關(guān)的倍增噪聲。高靈敏度和低噪聲的結(jié)合確保了低光成像期間的高信噪比。這些圖像傳感器的像素由光電二極管和將電荷轉(zhuǎn)換為電壓的放大器組成。通過逐一打開開關(guān)來輸出每個(gè)像素的電壓，通過片內(nèi)列放大器和A/D并行、同時(shí)讀取每一水平行的數(shù)據(jù)。這導(dǎo)致讀出速度非?？?，同時(shí)保持讀出噪聲非常低。Hamamatsu sCMOS 相機(jī)旨在提供前所未有的靈敏度(由于高 QE 和低噪聲)、最小的像素增益變化和快速的幀速率。

下面列出了流行的相機(jī)。

柱形圖

相機(jī)規(guī)格對相對 SNR 的影響。從歷史上看，N r一直是用于定義靈敏度的主要相機(jī)規(guī)格。憑借第二代 sCMOS 的性能，了解 QE、N r和 F n如何影響 SNR 至關(guān)重要。紫色線是完美相機(jī)的相對信噪比。該線上方的數(shù)字表示一系列強(qiáng)度下的 SNR 比，SNR = 1 由每條曲線上的星號表示。因?yàn)檫@是一臺完美的相機(jī)，所以這些 SNR 僅受光子散粒噪聲的限制。對于該圖上的三個(gè)真實(shí)相機(jī)中的每一個(gè)，下面都有代表每條曲線區(qū)域的條形。在區(qū)域 (A) 所示的最低光照水平下，N r主導(dǎo)相對 SNR 計(jì)算(S < N r 2/(QE*F n 2 ) 和散粒噪聲主導(dǎo)區(qū)域的交叉是該低光區(qū)域的上邊界(三角形，ORCA-Flash4.0 為 2.3 個(gè)光子，CCD 為 50 個(gè)光子)。 (B) 區(qū)域是中間區(qū)域，其中 N r、eQE 和 F n都對相對 SNR 做出貢獻(xiàn)。我們將該區(qū)域的上邊界定義為曲線為該相機(jī)最大相對 SNR 95% 的點(diǎn)(箭頭，ORCA-Flash4.0 為 20 個(gè)光子，而 CCD 為 550 個(gè)光子)。 (C) 區(qū)域是高光區(qū)域，其中 eQE 是唯一重要的相機(jī)參數(shù)(垂直括號所示的 SNR 損失)。這三個(gè)區(qū)域很容易為 ORCA-Flash4.0 和行間 CCD 定義，兩者都具有 F n= 1. 對于 EM-CCD，曲線是平坦的。除了在最低光照水平下之外，EMCCD 曲線幾乎完全反映了完美相機(jī)的形狀，只是 SNR 降低到了完美相機(jī)值的 0.68。因此，很明顯，盡管 N r較低且表觀 QE 較高，但 EM-CCD 的 SNR 受 F n = 1.4 的影響很大，并且 EM-CCD 中的所有輸入光水平都位于 eQE 占主導(dǎo)地位的區(qū)域。

第二代 ORCA-Flash4.0 和第一代 sCMOS 相機(jī)之間的圖像均勻性比較。 (A) sCMOS 需要仔細(xì)的傳感器和相機(jī)設(shè)計(jì)，以確保圖像中每個(gè)像素的統(tǒng)一響應(yīng)。 ORCA-Flash4.0具有出色的圖像均勻性。 (B) 第一代 sCMOS 顯示垂直條紋。由于此類圖案在低光照水平下可能不會(huì)出現(xiàn)，因此在其他強(qiáng)度下尋找這些條紋非常重要。

審核編輯 黃宇