什么是科研級(jí)相機(jī)?科研相機(jī)是指用于科學(xué)研究的高端相機(jī)。其成像原理和普通的民用相機(jī)、攝像頭一樣，都是以圖像傳感器(CCD或CMOS)為媒介，把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。但科研相機(jī)能夠捕捉到更高質(zhì)量、更精確的圖像，并能夠在更廣泛的光學(xué)和電學(xué)范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量和分析。

科研相機(jī)通常具有高分辨率、高靈敏度、高動(dòng)態(tài)范圍、低噪聲等特點(diǎn)，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求分為顯微鏡相機(jī)、可見光相機(jī)、光譜相機(jī)、紅外相機(jī)等類型。它廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、天文學(xué)、化學(xué)成像、生物成像、熒光纖維成像、高速攝影等科研領(lǐng)域。

如果從成像結(jié)果來考察一款科研相機(jī)，最重要的一般有3個(gè)特征：

(1)黑白還是彩色。彩色相機(jī)能帶來顏色信息，但靈敏度和分辨率都不及同參數(shù)的黑白相機(jī)。

(2)幀速。無論是高速移動(dòng)的樣品還是一閃而過的光信號(hào)，都需要高幀速相機(jī)才有可能采集到。

(3)成像質(zhì)量。影響成像質(zhì)量(或者經(jīng)常聽到"清晰度"這樣的口頭表述)的因素，包括信噪比和分辨率。無論是信噪比過低，還是分辨率過低，都無法得到讓人滿意的圖片(如圖1)。

圖1. 信噪比和分辨率對(duì)成像質(zhì)量的影響

本文主要討論信噪比。

信噪比公式及解析

在相機(jī)的成像過程中，除了真實(shí)的信號(hào)，還會(huì)引入一系列的不確定性(光信號(hào)本身的不確定性、材料熱運(yùn)動(dòng)，電子學(xué)噪聲等等)——稱為噪聲。而信號(hào)與噪聲的比值被定義為信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)。

相機(jī)的信噪比可以通過如下公式計(jì)算得出：

圖2. 信噪比公式

公式中的分子部分就是"信號(hào)"，單位時(shí)間的入射光子數(shù)目(P，即信號(hào)的強(qiáng)度)乘以曝光時(shí)間(t)，即為入射光子的總數(shù)目，其中有一定比例(QE，量子效率)被相機(jī)轉(zhuǎn)換為電荷，最終稱為相機(jī)成像的"信號(hào)"。

公式中的分母部分是"噪聲"，分成三個(gè)組成部分。

(1)第一個(gè)部分是來自"真實(shí)信號(hào)"的散粒噪聲——√P·QE·t.( 如何理解這個(gè)"散粒噪聲"呢?比如原始的光信號(hào)對(duì)應(yīng)每秒鐘100個(gè)光子落到一個(gè)像素上，但實(shí)際的情況卻有可能是第一個(gè)一秒鐘，落下了97個(gè)光子;第二個(gè)一秒鐘落下了104個(gè)光子;第三個(gè)一秒鐘落下來101個(gè)光子;等等等等。這種不確定性就是散粒噪聲的來源。

(2)第二個(gè)部分是來自暗電流的散粒噪聲——√D·t.由于相機(jī)的芯片是Si(或者InGaAs對(duì)于特定的拍攝條件，讀出噪聲和暗電流都是固定的。所以信號(hào)越強(qiáng)，其散粒噪聲也越大，成為噪聲的主要來源。此時(shí)信噪比公式可以近似為：

圖3. 信號(hào)較強(qiáng)時(shí)的近似信噪比公式

但如果信號(hào)很弱，來自信號(hào)的散粒噪聲就很小，此時(shí)讀出噪聲和暗電流的影響就不能忽略。

那么，如果希望提升相機(jī)成像的信噪比，改善信號(hào)較弱時(shí)的成像質(zhì)量，我們能夠從上面的信噪比公式中得到怎樣的啟發(fā)呢?大致說來有6個(gè)方面。

# 影響信噪比的因素(1)——曝光時(shí)間

無論是從大家日常的理解還是從信噪比公式中，我們都很容易得出曝光時(shí)間(t)越長(zhǎng)，信噪比越高的結(jié)論。

圖4. 曝光時(shí)間與信噪比的關(guān)系

然而，曝光時(shí)間長(zhǎng)了，幀速就無法得到保障。曝光時(shí)間為1 s的時(shí)候，無論如何幀速也是無法超過1幀/秒的。

所以，曝光時(shí)間的延長(zhǎng)能夠提升信噪比，但是會(huì)損失幀速。

# 影響信噪比的因素(2)——光學(xué)系統(tǒng)的素質(zhì)

對(duì)于同一樣品發(fā)出的信號(hào)，光學(xué)系統(tǒng)直接影響到落到相機(jī)上的光信號(hào)強(qiáng)度(即公式中的"P")。對(duì)于顯微成像而言，最常見的的提升方式就是選擇更好的物鏡;一般而言，數(shù)值孔徑(NA)越大，物鏡對(duì)信號(hào)的收集能力越強(qiáng)。

圖5. 不同數(shù)值孔徑(NA)的物鏡對(duì)成像效果的影響。

(a) Plan 20×/0.4 NA; (b) UPlanFL N 20×/0.5 NA; (c) UPlanSApo 20×/0.75 NA.(參考用圖，如若侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除)。

小結(jié)：用你能得到的最好的光學(xué)系統(tǒng)

# 影響信噪比的因素(3)——像素尺寸

像素尺寸也是影響信噪比公式中的"P"(入射的光子數(shù)目);像素尺寸越大，落到一個(gè)像素上的光子就越多。在其他參數(shù)都一致的情況下，信噪比自然就越高。但過大的像素尺寸會(huì)損失相機(jī)的分辨率(相關(guān)討論可參考《相機(jī)像素尺寸(像元大小)和成像系統(tǒng)分辨率之間的關(guān)系》。

簡(jiǎn)而言之，在不調(diào)節(jié)光路僅僅更換相機(jī)的情況下(這是非常常見的場(chǎng)景)，采用更大像素尺寸的相機(jī)在增加信噪比的同時(shí)往往會(huì)降低圖像的分辨率(如圖6)。

圖6. 不同像素尺寸相機(jī)對(duì)同一樣品的成像效果對(duì)比。樣品為直徑1μm的熒光小球，放大倍數(shù)60X

# 影響信噪比的因素(4)——制冷與暗電流

由于暗電流(信噪比公式中的"D")來源于材料中電子的熱運(yùn)動(dòng)，所以芯片溫度越高，暗電流越大;對(duì)于同一芯片，近似的規(guī)律是溫度每下降10度，暗電流減小一半。

當(dāng)前市場(chǎng)上的中高端科研相機(jī)的暗電流通常都很小，在1 s以下曝光時(shí)間時(shí)，暗噪聲相比于讀出噪聲通?？梢院雎?。但由于暗電流隨曝光時(shí)間會(huì)積累，所以越是長(zhǎng)曝光時(shí)間的應(yīng)用，制冷就越重要。

在實(shí)際選型中，不同類型的相機(jī)對(duì)制冷的要求也不盡相同：

(1)對(duì)于EMCCD相機(jī)，像素尺寸通常較大(常見的為13-16 μm)，每個(gè)像素上產(chǎn)生的暗電流本就較多，而且EMCCD中的暗電流還會(huì)和信號(hào)一起被增益放大，所以用制冷壓制EMCCD相機(jī)的暗電流產(chǎn)生尤其重要。因?yàn)檫@些原因，主流的EMCCD相機(jī)制冷溫度都在-50 ℃以下。

(2)而對(duì)于sCMOS相機(jī)，不僅像素尺寸會(huì)較小一些(常見的為6.5 μm)，也沒有額外的增益，所以對(duì)制冷的要求就相對(duì)低一點(diǎn)。

從圖7中可以看到，在sCMOS相機(jī)中，制冷溫度的具體高低影響不是那么明顯，但有沒有制冷對(duì)暗噪聲的表現(xiàn)影響很大(圖7-A是沒有制冷的相機(jī)，圖7-B,C,D都是有制冷的)。這是因?yàn)?，一旦沒有制冷，相機(jī)的芯片工作溫度并不是簡(jiǎn)單的室溫，而通常高達(dá)60-70 ℃，在長(zhǎng)時(shí)間曝光中(如圖7中的10 s曝光時(shí)間)，其暗電流自然就會(huì)高到不可忽視。

筆者在平時(shí)工作中，就曾經(jīng)有過兩個(gè)有趣的相關(guān)經(jīng)歷。第一個(gè)是剛接觸科研相機(jī)時(shí)，看到許多諸如室溫下10 ℃(-10 ℃ from ambient temperature)的相機(jī)，表示不可理解，覺得"就10度的制冷，這有啥用?"。第二個(gè)是濱松有一款面向產(chǎn)業(yè)客戶的板級(jí)sCMOS相機(jī)C11440-62U，其制冷溫度為室溫上10 ℃(+10℃ from ambient temperature)，剛看到參數(shù)的時(shí)候也是小小疑惑了一把。其實(shí)當(dāng)年產(chǎn)生這樣的疑惑，就是因?yàn)闆]有意識(shí)到如果相機(jī)沒有制冷，實(shí)際的工作溫度將遠(yuǎn)超室溫這一點(diǎn)。

圖7. 冷卻對(duì)相機(jī)的影響。四張圖片來自于四臺(tái)相機(jī)，均采用10 s的曝光時(shí)間，LUT設(shè)置成一樣。這四臺(tái)相機(jī)采用了同樣的芯片，但制冷溫度不同。從左至右依次為：(a) 沒有制冷(C11440-52U);(b) 制冷溫度為10 ℃(C11440-42U);(c) 制冷溫度為-10 ℃(C11440-22CU，風(fēng)冷模式);(d) 制冷溫度為-20 ℃(C11440-22CU，水冷模式)

小結(jié)：對(duì)于當(dāng)今的高端相機(jī)，只要有制冷，暗電流都很小。

# 影響信噪比的因素(5)——量子效率

量子效率(即信噪比中的QE)為光子在相機(jī)像素上轉(zhuǎn)換成為電子的比例。同樣是100個(gè)光子落到一個(gè)像素上，QE 82%意味著相機(jī)能夠轉(zhuǎn)換得到82個(gè)電子;QE 72%則代表能轉(zhuǎn)換得到72個(gè)電子。顯然，QE越高，相機(jī)的信噪比越高。

圖8. 量子效率對(duì)信噪比的影響

有關(guān)QE，看參數(shù)時(shí)需要特別注意以下兩點(diǎn)：

(1)QE與波長(zhǎng)是有關(guān)的，對(duì)于同一臺(tái)相機(jī)，不同波長(zhǎng)的QE并不相同。以O(shè)RCA-Flash 4.0 V3為例，在600nm的紅光處其QE為最高的82%，在900 nm的紅外光處就只剩下了25%左右。

(2)一般我們?cè)诟叨丝蒲邢鄼C(jī)的參數(shù)表中看到的都是量子效率峰值——也就是相機(jī)最靈敏的波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的QE。但是，不同相機(jī)/芯片的量子效率峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)并不一樣，所以如果確切的直到自己信號(hào)的波長(zhǎng)/顏色，最好能夠確認(rèn)下相機(jī)在對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)下的QE，而不是簡(jiǎn)單地比較量子效率峰值。

如圖9中左圖所示，ORCA-Spark的峰值波長(zhǎng)在450-500 nm之間，QE峰值為80%;而Flash 4.0 LT的峰值波長(zhǎng)在550-600 nm之間，QE峰值為72%。雖然ORCA-Spark的量子效率峰值更高，但如果針對(duì)紅色熒光，F(xiàn)lash 4.0 LT的QE反而更好。

小結(jié)：QE很重要，但QE峰值更多是個(gè)參考，查到關(guān)注波長(zhǎng)的QE值非常關(guān)鍵。

# 影響信噪比的因素(6)——讀出噪聲(R)

在信號(hào)較弱的成像中，來自信號(hào)的散粒噪聲較小;而暗電流的散粒噪聲(即暗噪聲)在當(dāng)前的高端科研相機(jī)都是很低的，在曝光時(shí)間1s這個(gè)量級(jí)甚至更短的時(shí)候，暗噪聲通?？梢院雎?此時(shí)讀出噪聲(即信噪比公式中的"R")就稱為特別需要考量的因素了。

對(duì)于同樣的芯片，讀出噪聲的大小與讀出速度有關(guān)，無論對(duì)于CCD相機(jī)還是sCMOS相機(jī)，讀出速度越快，讀出噪聲越高。而sCMOS相對(duì)于CCD的一個(gè)核心優(yōu)勢(shì)，就是高速讀出時(shí)依然能夠保持極低的讀出噪聲。

圖9. 讀出噪聲對(duì)信噪比的影響

讀出噪聲的重要性也使得其和QE一起變成了相機(jī)被重點(diǎn)關(guān)注的兩個(gè)參數(shù)。單純考察兩者中的一個(gè)優(yōu)勢(shì)并不能正確預(yù)測(cè)成像的信噪比。如圖9所示，同樣拍一個(gè)綠色熒光樣品，QE較高的ORCA-Spark成像質(zhì)量卻不如ORCA-Flash 4.0 LT，就是因?yàn)镺RCA-Flash 4.0 LT的讀出噪聲較低，綜合考慮時(shí)ORCA-Flash 4.0 LT的信噪比更好。

審核編輯 黃宇