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滨松ORCA-Quest qCMOS科研级相机C15550-20UP

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自20世纪 80 年代以来,滨松光子学株式会社一直利用其独特的相机设计技术开发高灵敏度、低噪声相机,并始终为科学和技术研究的发展做出贡献。现在我们很自豪地推出性能 ORCA-Quest。C15550-20UP 是世界上采用 qCMOS 图像传感器的相机,能够使用新开发的专用技术解析光电子的数量,该相机实现了定量成像。
产品详情


  qCMOS:从低噪声到光子定量(Photon Number Resolving)

  图像质量是成像中的核心关注点,可以通过两个概念予以评价:信噪比和分辨率。关于相机成像的信噪比,主要与4个因素相关:

  (1)样品信号的强度和显微镜物镜等光学系统对信号的收集能力;

  (2)曝光时间,一般而言,延长曝光时间会带来信噪比的上升,但会牺牲帧速;

  (3)量子效率;

  (4)读出噪声。

  从相机的角度,量子效率与读出噪声分别对应了信号与噪声,其比值越高,信噪比也就越高。完美的定量相机(Quantitative Camera)一直是滨松孜孜不倦追求的方向,而信噪比的不断提升则是其中的核心。

  相机成像中,信号中的光子在像素中转化为电子被收集——称之为光电子。光子定量就是通过精确定量光电子的方式得到每个像素所收集到的光子数目。

  在光子转换为光电子之后,光电子会在相机芯片中转化为电压/模拟信号。虽然会有一个转换系数存在(例如0.16 mV/电子),但是由于读出噪声的原因,当一个像素中有3个光电子时,读出的电压并不一定就是 3e x 0.16mV/e = 0.48 mV,而是一个0.48 mV左右的一个不确定的电压数值,可能是0.43 mV,也可能是0.62 mV;粗略地说,读出噪声越大,这个不确定性就越大。这就意味着,如果读出噪声比较大,当相机芯片中读出0.48 mV的时候,对应像素中的光电子可能是3个,也可能是2个,4个,甚至1个,5个。

  但如果读出噪声足够小,就不会出现上述情况——当读出0.48 mV的时候,我们就能确定对应像素上是3个光电子,而非其他。通过概率理论计算,当RMS读出噪声(Readout noise rms, 为0.3e 时,这个准确度达到90%以上。

  滨松ORCA-Quest qCMOS相机的最低读出噪声为0.27e rms,这就是qCMOS相机可以实现光子定量功能核心。用户可以直接读出每个像素中精确的光电子数目,从而获得像素所收集的光子数目,即光子定量(Photon Number Resolving)。

  qCMOS光子定量(Photon Number Resolving) vs EMCCD的光子计数(Photon Counting)

  qCMOS具有光子定量的功能,而EMCCD也有一个听上去非常类似的光子计数功能——这两者从原理到效果却是完全不同的。

  qCMOS中光电子被直接转换为电压信号,由于压制了这个过程中的读出噪声,我们能够精确地区分像素中有3个光电子还是4个光电子,甚至是571个光电子还是572个光电子。

  但在EMCCD中,电子转换电压这一步骤中地读出噪声并不低,通常在几十个电子这个水平。为了增加信噪比,EMCCD会把像素中的光电子在电场中加速,加速的电子轰击材料产生更多的电子,这种电子倍增过程通常会将一个电子的信号放大到几百上千个电子,所以在这种情况下,几十个电子的读出噪声通常就可以忽略了。

  利用这个原理,EMCCD能够非常容易地区分像素中光电子的有无,没有光电子,信号就是0;一旦有1个光电子,信号就会是几百上千,非常容易分辨。所以当光信号非常弱——以至于每个像素上只有1个光电子或没有光电子地时候——我们就能够通过上述效应,非常容易地区分,而不受几十个电子的读出噪声的影响,这就是EMCCD光子计数模式的原理。

  qCMOS具有光子定量的功能,而EMCCD也有一个听上去非常类似的光子计数功能——这两者从原理到效果却是完全不同的。从上述描述可知,EMCCD的核心是在电子倍增这个过程,但也正是在电子倍增这个过程中,会产生额外的不确定性(有时被称为乘性噪声),一个光电子经过倍增,可能变成了300个电子,也可能变成了400个电子。这个额外的不确定性,使得EMCCD虽然能够区分像素中有或者没有光电子,但不能够精确定量。

  总结起来,qCMOS由于直接压制读出噪声提升信噪比,在光子定量功能中,不仅能够区分0个或者1个光电子,还能区分2,3,4,5一直到571,572个光电子等等。而EMCCD的信噪比提升来自于电子倍增过程对信号的放大,EMCCD的光子计数功能(photon counting)能够区分0和1,但并不能精确地告诉我们像素中究竟是3个还是4个光电子,就更不用说571个还是572个了。

  更高的分辨能力——对背照结构的改进

  相机像素中,光子被硅等半导体材料转换为光电子之后,会被相应的电路收集;这些电路结构会阻挡光信号。为了消除这部分信号损失,背照技术中将这些电路结构放到了芯片的背后(如下图)。

  在理想的情况下,每个像素中的光电子会被本像素的电路通过电场进行收集,但在背照芯片中,由于结构毕竟有一定的厚度,收集光电子的电场可能并不容易将本像素对应的光电子全部收集——一部分光电子会扩散到相邻像素中,造成相机分辨率的下降。这也是为什么一般而言,前照式相机的分辨率会优于对应参数的背照式相机。

  在滨松ORCA-Quest qCMOS相机中,我们采用了沟槽结构(Trench Structure),阻挡了相应的光电子扩散,提升了相机的分辨率。

  如上所述,滨松对于背照CMOS的相机芯片进行了改进,推动着成像质量一点一滴的提升。分辨率仅仅是其中的一个方面,在下图中,我们还能看到,滨松ORCA-Quest相机同时还解决了背照芯片在近红外成像中出现干涉条纹的问题。

  低噪声与高帧速——鱼与熊掌可以兼得

  滨松不仅做到了行业巅峰的信噪比,在速度上也绝不妥协,ORCA-Quest在940万像素,4096x2304这样的分辨率下能够做到120帧/秒,选择合适大小的ROI甚至能将帧速提升至72521帧/秒。

  sCMOS虽然比EMCCD大大提升了分辨率和帧速,但是在最高帧速模式下,噪声通常也比较高,例如读出噪声最低的sCMOS相机FusionBT在最高速时的读出噪声是1.4e rms. 而ORCA-Quest在全幅高达4096x2304这样的分辨率下高速档120帧/秒时,读出噪声也只有0.43e rms——这比FusionBT的最低速档,也就是读出噪声最小的档0.7e rms还要低。在实现高速的同时,保持超低的噪声。

  参数

滨松ORCA-Quest qCMOS科研级相机成像案例:与EMCCD、ICCD的实测对比

滨松ORCA-Quest qCMOS科研级相机C15550-20UP滨松ORCA-Quest qCMOS科研级相机C15550-20UP滨松ORCA-Quest qCMOS科研级相机C15550-20UP滨松ORCA-Quest qCMOS科研级相机C15550-20UP
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  qCMOS:从低噪声到光子定量(Photon Number Resolving)

  图像质量是成像中的核心关注点,可以通过两个概念予以评价:信噪比和分辨率。关于相机成像的信噪比,主要与4个因素相关:

  (1)样品信号的强度和显微镜物镜等光学系统对信号的收集能力;

  (2)曝光时间,一般而言,延长曝光时间会带来信噪比的上升,但会牺牲帧速;

  (3)量子效率;

  (4)读出噪声。

  从相机的角度,量子效率与读出噪声分别对应了信号与噪声,其比值越高,信噪比也就越高。完美的定量相机(Quantitative Camera)一直是滨松孜孜不倦追求的方向,而信噪比的不断提升则是其中的核心。

  相机成像中,信号中的光子在像素中转化为电子被收集——称之为光电子。光子定量就是通过精确定量光电子的方式得到每个像素所收集到的光子数目。

  在光子转换为光电子之后,光电子会在相机芯片中转化为电压/模拟信号。虽然会有一个转换系数存在(例如0.16 mV/电子),但是由于读出噪声的原因,当一个像素中有3个光电子时,读出的电压并不一定就是 3e x 0.16mV/e = 0.48 mV,而是一个0.48 mV左右的一个不确定的电压数值,可能是0.43 mV,也可能是0.62 mV;粗略地说,读出噪声越大,这个不确定性就越大。这就意味着,如果读出噪声比较大,当相机芯片中读出0.48 mV的时候,对应像素中的光电子可能是3个,也可能是2个,4个,甚至1个,5个。

  但如果读出噪声足够小,就不会出现上述情况——当读出0.48 mV的时候,我们就能确定对应像素上是3个光电子,而非其他。通过概率理论计算,当RMS读出噪声(Readout noise rms, 为0.3e 时,这个准确度达到90%以上。

  滨松ORCA-Quest qCMOS相机的最低读出噪声为0.27e rms,这就是qCMOS相机可以实现光子定量功能核心。用户可以直接读出每个像素中精确的光电子数目,从而获得像素所收集的光子数目,即光子定量(Photon Number Resolving)。

  qCMOS光子定量(Photon Number Resolving) vs EMCCD的光子计数(Photon Counting)

  qCMOS具有光子定量的功能,而EMCCD也有一个听上去非常类似的光子计数功能——这两者从原理到效果却是完全不同的。

  qCMOS中光电子被直接转换为电压信号,由于压制了这个过程中的读出噪声,我们能够精确地区分像素中有3个光电子还是4个光电子,甚至是571个光电子还是572个光电子。

  但在EMCCD中,电子转换电压这一步骤中地读出噪声并不低,通常在几十个电子这个水平。为了增加信噪比,EMCCD会把像素中的光电子在电场中加速,加速的电子轰击材料产生更多的电子,这种电子倍增过程通常会将一个电子的信号放大到几百上千个电子,所以在这种情况下,几十个电子的读出噪声通常就可以忽略了。

  利用这个原理,EMCCD能够非常容易地区分像素中光电子的有无,没有光电子,信号就是0;一旦有1个光电子,信号就会是几百上千,非常容易分辨。所以当光信号非常弱——以至于每个像素上只有1个光电子或没有光电子地时候——我们就能够通过上述效应,非常容易地区分,而不受几十个电子的读出噪声的影响,这就是EMCCD光子计数模式的原理。

  qCMOS具有光子定量的功能,而EMCCD也有一个听上去非常类似的光子计数功能——这两者从原理到效果却是完全不同的。从上述描述可知,EMCCD的核心是在电子倍增这个过程,但也正是在电子倍增这个过程中,会产生额外的不确定性(有时被称为乘性噪声),一个光电子经过倍增,可能变成了300个电子,也可能变成了400个电子。这个额外的不确定性,使得EMCCD虽然能够区分像素中有或者没有光电子,但不能够精确定量。

  总结起来,qCMOS由于直接压制读出噪声提升信噪比,在光子定量功能中,不仅能够区分0个或者1个光电子,还能区分2,3,4,5一直到571,572个光电子等等。而EMCCD的信噪比提升来自于电子倍增过程对信号的放大,EMCCD的光子计数功能(photon counting)能够区分0和1,但并不能精确地告诉我们像素中究竟是3个还是4个光电子,就更不用说571个还是572个了。

  更高的分辨能力——对背照结构的改进

  相机像素中,光子被硅等半导体材料转换为光电子之后,会被相应的电路收集;这些电路结构会阻挡光信号。为了消除这部分信号损失,背照技术中将这些电路结构放到了芯片的背后(如下图)。

  在理想的情况下,每个像素中的光电子会被本像素的电路通过电场进行收集,但在背照芯片中,由于结构毕竟有一定的厚度,收集光电子的电场可能并不容易将本像素对应的光电子全部收集——一部分光电子会扩散到相邻像素中,造成相机分辨率的下降。这也是为什么一般而言,前照式相机的分辨率会优于对应参数的背照式相机。

  在滨松ORCA-Quest qCMOS相机中,我们采用了沟槽结构(Trench Structure),阻挡了相应的光电子扩散,提升了相机的分辨率。

  如上所述,滨松对于背照CMOS的相机芯片进行了改进,推动着成像质量一点一滴的提升。分辨率仅仅是其中的一个方面,在下图中,我们还能看到,滨松ORCA-Quest相机同时还解决了背照芯片在近红外成像中出现干涉条纹的问题。

  低噪声与高帧速——鱼与熊掌可以兼得

  滨松不仅做到了行业巅峰的信噪比,在速度上也绝不妥协,ORCA-Quest在940万像素,4096x2304这样的分辨率下能够做到120帧/秒,选择合适大小的ROI甚至能将帧速提升至72521帧/秒。

  sCMOS虽然比EMCCD大大提升了分辨率和帧速,但是在最高帧速模式下,噪声通常也比较高,例如读出噪声最低的sCMOS相机FusionBT在最高速时的读出噪声是1.4e rms. 而ORCA-Quest在全幅高达4096x2304这样的分辨率下高速档120帧/秒时,读出噪声也只有0.43e rms——这比FusionBT的最低速档,也就是读出噪声最小的档0.7e rms还要低。在实现高速的同时,保持超低的噪声。

  参数

滨松ORCA-Quest qCMOS科研级相机成像案例:与EMCCD、ICCD的实测对比

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