在提供適合客戶需求的科學(xué)相機(jī)時(shí)，傳統(tǒng)趨勢(shì)是使用超靈敏 EM-CCD(電子倍增 CCD)相機(jī)在極低光照區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，以及大像素?cái)?shù)的 sCMOS(科學(xué) CMOS)相機(jī)，在相對(duì)明亮的區(qū)域具有高速度和高動(dòng)態(tài)范圍。與此同時(shí)，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(jī)，這是一種標(biāo)志著圖像傳感器新時(shí)代的曙光的新傳感器。

qCMOS 相機(jī)被定位為超靈敏相機(jī)，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(jī)時(shí)，有必要判斷哪種相機(jī)最適合您的應(yīng)用。本文的目的是比較 qCMOS 和 EM-CCD 相機(jī)，以幫助您選擇最適合您的應(yīng)用的相機(jī)。

傳感器技術(shù)和光子探測(cè)性能

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

圖1顯示了相機(jī)從信號(hào)采集到數(shù)字輸出的過(guò)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(dòng)擴(kuò)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(jī)中，這一過(guò)程中的噪聲特性極大地影響了極低光區(qū)域的測(cè)量。特別是，對(duì)于超靈敏相機(jī)來(lái)說(shuō)，在光電子信號(hào)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(hào)采集到數(shù)字輸出的過(guò)程

qCMOS和EM-CCD相機(jī)使用不同的方法來(lái)降低讀出噪聲，從而能夠在單個(gè)光電子水平上檢測(cè)信號(hào)。

qCMOS相機(jī)采用超精細(xì)CMOS電路技術(shù)，可實(shí)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(hào)時(shí)，qCMOS讀出噪聲足夠低于信號(hào)，無(wú)法從輸出結(jié)果中精確地確定光電子的數(shù)量。通過(guò)這種方式，qCMOS相機(jī)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(jī)中的讀出過(guò)程和光子數(shù)解析

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

然而，由于探測(cè)器中的倍增過(guò)程總是在信號(hào)中產(chǎn)生較大的波動(dòng)，稱(chēng)為過(guò)量噪聲，因此即使與信號(hào)相比，讀出噪聲相對(duì)最小，EM-CCD也無(wú)法區(qū)分原始光電子數(shù)。因此，盡管EM-CCD相機(jī)可以通過(guò)電子倍增來(lái)檢測(cè)讀出噪聲低的單光子級(jí)信號(hào)，但由于噪聲過(guò)大，定量特性會(huì)丟失。

圖3.EM-CCD相機(jī)中的讀出過(guò)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(jī)的功能比較。

表 1.qCMOS和EM-CCD相機(jī)的功能比較

此外，下面還顯示了qCMOS相機(jī)和EM-CCD相機(jī)之間的實(shí)際成像示例。

可以看出，與EM-CCD相機(jī)相比，不使用電子倍增的qCMOS相機(jī)具有更小的圖像幀間波動(dòng)，從而實(shí)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(guò)SNR(信噪比)比較qCMOS和EM-CCD相機(jī)，SNR通常用于相機(jī)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(shí)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(gè)相機(jī)時(shí)，通常有兩個(gè)條件需要比較，即：

1.當(dāng)每個(gè)像素的光子強(qiáng)度相等時(shí)

2.當(dāng)每個(gè)傳感器區(qū)域的光子強(qiáng)度相等時(shí)

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(qiáng)相等時(shí)的SNR比較，圖6顯示了每個(gè)傳感器區(qū)域的光強(qiáng)度相等時(shí)的SNR比較。這些圖表顯示了相對(duì)信噪比 (rSNR)，其中所有數(shù)據(jù)都?xì)w一化為像素尺寸為 6.5 μm、零噪聲和 100% QE 的假想“完美相機(jī)”。

讓我們看一下每個(gè)像素的光強(qiáng)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(duì)每個(gè)相機(jī)的像素大小構(gòu)建的。在CMOS相機(jī)中，SNR也會(huì)隨著光強(qiáng)度的降低而降低，因?yàn)闊o(wú)論光強(qiáng)度如何，讀出噪聲都是恒定的。另一方面，EM-CCD相機(jī)使用乘法來(lái)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(dòng)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(jī)。因此，傳統(tǒng)趨勢(shì)是sCMOS相機(jī)在明亮區(qū)域更勝一籌，而EM-CCD相機(jī)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(jī)在極低光度區(qū)域的SNR也與EM-CCD相機(jī)相當(dāng)。

圖5.每像素光強(qiáng)度相等時(shí)的信噪比比較

接下來(lái)，讓我們看一下每個(gè)傳感器區(qū)域的光強(qiáng)度相等的情況(圖 6)。這種情況假設(shè)相機(jī)更換為光學(xué)元件不變。由于CMOS相機(jī)的像素尺寸比EM-CCD相機(jī)小，因此每個(gè)像素的光量更小，因此本比較包括CMOS相機(jī)的SNR數(shù)據(jù)，與EM-CCD相比，CMOS相機(jī)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(gè)傳感器區(qū)域的光強(qiáng)度相等時(shí)的信噪比比較

表2顯示了比較條件和適合這些條件的實(shí)際情況。

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

表 2.信噪比比較條件及相應(yīng)情況

qCMOS相機(jī)的多功能性

將qCMOS相機(jī)與EM-CCD相機(jī)進(jìn)行比較時(shí)，qCMOS相機(jī)的優(yōu)勢(shì)之一是多功能性。qCMOS相機(jī)是一種混合相機(jī)，它結(jié)合了傳統(tǒng)sCMOS相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和與EM-CCD相當(dāng)?shù)臉O低噪聲。以下是可以使用qCMOS相機(jī)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(dòng)態(tài)范圍的高靈敏度成像(EM-CCD因電子倍增而犧牲動(dòng)態(tài)范圍)

● 寬視場(chǎng)和高分辨率成像，像素?cái)?shù)大

● CMOS相機(jī)中的旗艦暗電流性能，適用于需要長(zhǎng)時(shí)間曝光的應(yīng)用

EM-CCD相機(jī)的主要區(qū)域

圖5和圖6中的相對(duì)SNR比較表明，EM-CCD相機(jī)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(jī)。然而，0.1光子/像素/幀的“絕對(duì)信噪比值”非常小，以至于樣本幾乎看不見(jiàn)，埋在噪聲中。圖 7 顯示了使用 Hamamatsu Photonics 的相機(jī)仿真引擎對(duì)測(cè)試圖表樣本(入射光水平：0.1、0.5、1.0、10 個(gè)光子/像素/幀，波長(zhǎng)：475 nm，成像區(qū)域：512X512 像素，背景光：0，每個(gè)圖像相對(duì)于自身自動(dòng)縮放)的圖像模擬。如這些圖像所示，兩臺(tái)相機(jī)都無(wú)法在0.1光子/像素/幀下檢測(cè)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(shì)毫無(wú)意義。

圖7.弱光區(qū)域測(cè)試圖表樣品仿真結(jié)果

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

對(duì)于這種極低光區(qū)域的應(yīng)用，成像通常在非常長(zhǎng)的曝光時(shí)間下進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)可觀察到的信噪比，例如超過(guò) 1 個(gè)光子/像素/幀。在這種情況下，EM-CCD相機(jī)在極低光下區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間曝光時(shí)仍然比qCMOS相機(jī)具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)閭鞲衅鞯睦鋮s性能實(shí)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(shì)正在逐漸喪失。然而，在實(shí)驗(yàn)中，仍然需要根據(jù)光照水平和曝光時(shí)間來(lái)判斷qCMOS相機(jī)或EM-CCD相機(jī)是否具有更好的SNR。

結(jié)論

qCMOS相機(jī)是一種混合相機(jī)，它結(jié)合了傳統(tǒng)sCMOS相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和相當(dāng)于EM-CCD相機(jī)的極低噪聲，因此qCMOS相機(jī)將為傳統(tǒng)的科學(xué)測(cè)量帶來(lái)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(jī)新技術(shù)的起點(diǎn)，并通過(guò)比較其與其他光子計(jì)數(shù)探測(cè)器(如EM-CCD)的性能來(lái)選擇理想探測(cè)器。

審核編輯 黃宇