qCMOS相机与EM-CCD相机 – 光子计数相机的性能比较

在提供适合客户需求的科学相机时，传统趋势是使用超灵敏 EM-CCD(电子倍增 CCD)相机在极低光照区域进行测量，以及大像素数的 sCMOS(科学 CMOS)相机，在相对明亮的区域具有高速度和高动态范围。与此同时，CMOS技术不断发展，特别是在噪声特性方面，我们发布了配备qCMOS(定量CMOS)传感器的相机，这是一种标志着图像传感器新时代的曙光的新传感器。

qCMOS 相机被定位为超灵敏相机，由于其极低的噪声性能，可提供终极定量成像。因此，在比较 qCMOS 和 EM-CCD 相机时，有必要判断哪种相机最适合您的应用。本文的目的是比较 qCMOS 和 EM-CCD 相机，以帮助您选择最适合您的应用的相机。

传感器技术和光子探测性能

本节介绍从信号采集到后续数字输出的过程，以比较传感器技术和qCMOS和EM-CCD相机的光子检测性能。

图1显示了相机从信号采集到数字输出的过程。入射到传感器上的光子根据传感器的量子效率以概率转换为光电子。然后，光电子被转换为电压并由浮动扩散放大器(FDA)放大，随后由模数转换器(ADC)转换为数字值，最后输出数字值。

在科学相机中，这一过程中的噪声特性极大地影响了极低光区域的测量。特别是，对于超灵敏相机来说，在光电子信号的数字转换中尽可能降低读出噪声非常重要。

图 1.从信号采集到数字输出的过程

qCMOS和EM-CCD相机使用不同的方法来降低读出噪声，从而能够在单个光电子水平上检测信号。

qCMOS相机采用超精细CMOS电路技术，可实现极低的读出噪声。如图2所示，当分别读出1、2、3、...的光电子信号时，qCMOS读出噪声足够低于信号，无法从输出结果中精确地确定光电子的数量。通过这种方式，qCMOS相机提供了最终的定量成像，以便可以区分输入的光电子数。

图2.qCMOS相机中的读出过程和光子数解析

或者，使用EM-CCD相机，虽然读出噪声本身非常大，但光电子信号通过电子倍增机制增加(如图1所示)，与图3所示的增益信号相比，读出噪声相对降低。

然而，由于探测器中的倍增过程总是在信号中产生较大的波动，称为过量噪声，因此即使与信号相比，读出噪声相对最小，EM-CCD也无法区分原始光电子数。因此，尽管EM-CCD相机可以通过电子倍增来检测读出噪声低的单光子级信号，但由于噪声过大，定量特性会丢失。

图3.EM-CCD相机中的读出过程和光子数解析

表1总结了本节中描述的qCMOS和EM-CCD相机的功能比较。

表 1.qCMOS和EM-CCD相机的功能比较

此外，下面还显示了qCMOS相机和EM-CCD相机之间的实际成像示例。

可以看出，与EM-CCD相机相比，不使用电子倍增的qCMOS相机具有更小的图像帧间波动，从而实现了高度定量成像。

SNR(信噪比)与像素尺寸考虑因素的比较

本节通过SNR(信噪比)比较qCMOS和EM-CCD相机，SNR通常用于相机性能的定量讨论。

图4显示了SNR的公式。(此处省略了EM-CCD中的暗电流和时钟感应电荷(CIC)噪声。

图4.信噪比公式

信噪比取决于传感器的入射光量，因此在按入射光水平比较多个相机时，通常有两个条件需要比较，即：

1.当每个像素的光子强度相等时

2.当每个传感器区域的光子强度相等时

图5显示了qCMOS(ORCA-Quest)、EM-CCD(ImagEM X2)和第三代sCMOS(ORCA-Fusion BT，前几代ORCA-Quest)在每像素光强相等时的SNR比较，图6显示了每个传感器区域的光强度相等时的SNR比较。这些图表显示了相对信噪比 (rSNR)，其中所有数据都归一化为像素尺寸为 6.5 μm、零噪声和 100% QE 的假想“完美相机”。

让我们看一下每个像素的光强度相等的情况(图 5)。这种情况假设最佳光学系统是针对每个相机的像素大小构建的。在CMOS相机中，SNR也会随着光强度的降低而降低，因为无论光强度如何，读出噪声都是恒定的。另一方面，EM-CCD相机使用乘法来最小化读出噪声，因此信噪比随光照水平变化不大，但由于倍增波动的持续存在，信噪比在明亮区域区域的SNR小于CMOS相机。因此，传统趋势是sCMOS相机在明亮区域更胜一筹，而EM-CCD相机在低光区域更胜一筹。然而，随着CMOS技术的最新发展，即使在0.1光子/像素/帧下，qCMOS相机在极低光度区域的SNR也与EM-CCD相机相当。

图5.每像素光强度相等时的信噪比比较

接下来，让我们看一下每个传感器区域的光强度相等的情况(图 6)。这种情况假设相机更换为光学元件不变。由于CMOS相机的像素尺寸比EM-CCD相机小，因此每个像素的光量更小，因此本比较包括CMOS相机的SNR数据，与EM-CCD相比，CMOS相机具有合并功能，可将等效的光量输入到像素单元中。

图6.每个传感器区域的光强度相等时的信噪比比较

表2显示了比较条件和适合这些条件的实际情况。

由于CMOS传感器的架构，当执行NXN像素合并时，每个像素合并像素的读出噪声比单个像素的读出噪声增加N倍。因此，在用qCMOS相机替换像素尺寸较大的相机时，建议构建一个针对qCMOS相机像素尺寸进行优化的光学系统，而无需合并，以最大限度地提高其性能，以便进行公平的比较。

表 2.信噪比比较条件及相应情况

qCMOS相机的多功能性

将qCMOS相机与EM-CCD相机进行比较时，qCMOS相机的优势之一是多功能性。qCMOS相机是一种混合相机，它结合了传统sCMOS相机的优点和与EM-CCD相当的极低噪声。以下是可以使用qCMOS相机的应用列表。

● 具有极致定量性的超灵敏成像，能够以较慢的帧速率解析光子数。

● 高帧率高灵敏度成像(EM-CCD中的帧速率较慢)

● 高动态范围的高灵敏度成像(EM-CCD因电子倍增而牺牲动态范围)

● 宽视场和高分辨率成像，像素数大

● CMOS相机中的旗舰暗电流性能，适用于需要长时间曝光的应用

EM-CCD相机的主要区域

图5和图6中的相对SNR比较表明，EM-CCD相机在低于0.1光子/像素/帧的极低光区域性能优于qCMOS相机。然而，0.1光子/像素/帧的“绝对信噪比值”非常小，以至于样本几乎看不见，埋在噪声中。图 7 显示了使用 Hamamatsu Photonics 的相机仿真引擎对测试图表样本(入射光水平：0.1、0.5、1.0、10 个光子/像素/帧，波长：475 nm，成像区域：512X512 像素，背景光：0，每个图像相对于自身自动缩放)的图像模拟。如这些图像所示，两台相机都无法在0.1光子/像素/帧下检测到大部分样本，因此这意味着EM-CCD在这种光水平下的SNR优势毫无意义。

图7.弱光区域测试图表样品仿真结果

EM-CCD相机使用电子倍增来尽可能减少读出噪声，因此在没有背景光的情况下，黑暗区域几乎没有噪声，如图7所示。然而，在存在背景光的实际情况下，背景光也会成倍增加，从而在黑暗区域产生明显的噪点。

对于这种极低光区域的应用，成像通常在非常长的曝光时间下进行，以实现可观察到的信噪比，例如超过 1 个光子/像素/帧。在这种情况下，EM-CCD相机在极低光下区域进行长时间曝光时仍然比qCMOS相机具有优势，因为传感器的冷却性能实现了极低的暗电流。

EM-CCD是一种成熟的传感器技术，由于CMOS技术的不断发展，其优势正在逐渐丧失。然而，在实验中，仍然需要根据光照水平和曝光时间来判断qCMOS相机或EM-CCD相机是否具有更好的SNR。

结论

qCMOS相机是一种混合相机，它结合了传统sCMOS相机的优点和相当于EM-CCD相机的极低噪声，因此qCMOS相机将为传统的科学测量带来新的突破。

随着CMOS技术的不断发展，qCMOS传感器将变得更好。我们希望本文能成为客户了解qCMOS相机新技术的起点，并通过比较其与其他光子计数探测器(如EM-CCD)的性能来选择理想探测器。

审核编辑 黄宇