科学 CMOS (sCMOS) 图像传感器

成像技术的最新发展，科学 CMOS (sCMOS) 传感器同时提供高灵敏度、快速读出速度和低噪声，且不会增加与 EM-CCD 相关的倍增噪声。高灵敏度和低噪声的结合确保了低光成像期间的高信噪比。这些图像传感器的像素由光电二极管和将电荷转换为电压的放大器组成。通过逐一打开开关来输出每个像素的电压，通过片内列放大器和A/D并行、同时读取每一水平行的数据。这导致读出速度非常快，同时保持读出噪声非常低。Hamamatsu sCMOS 相机旨在提供前所未有的灵敏度(由于高 QE 和低噪声)、最小的像素增益变化和快速的帧速率。

下面列出了流行的相机。

柱形图

相机规格对相对 SNR 的影响。从历史上看，N r一直是用于定义灵敏度的主要相机规格。凭借第二代 sCMOS 的性能，了解 QE、N r和 F n如何影响 SNR 至关重要。紫色线是完美相机的相对信噪比。该线上方的数字表示一系列强度下的 SNR 比，SNR = 1 由每条曲线上的星号表示。因为这是一台完美的相机，所以这些 SNR 仅受光子散粒噪声的限制。对于该图上的三个真实相机中的每一个，下面都有代表每条曲线区域的条形。在区域 (A) 所示的最低光照水平下，N r主导相对 SNR 计算(S < N r 2/(QE*F n 2 ) 和散粒噪声主导区域的交叉是该低光区域的上边界(三角形，ORCA-Flash4.0 为 2.3 个光子，CCD 为 50 个光子)。 (B) 区域是中间区域，其中 N r、eQE 和 F n都对相对 SNR 做出贡献。我们将该区域的上边界定义为曲线为该相机最大相对 SNR 95% 的点(箭头，ORCA-Flash4.0 为 20 个光子，而 CCD 为 550 个光子)。 (C) 区域是高光区域，其中 eQE 是唯一重要的相机参数(垂直括号所示的 SNR 损失)。这三个区域很容易为 ORCA-Flash4.0 和行间 CCD 定义，两者都具有 F n= 1. 对于 EM-CCD，曲线是平坦的。除了在最低光照水平下之外，EMCCD 曲线几乎完全反映了完美相机的形状，只是 SNR 降低到了完美相机值的 0.68。因此，很明显，尽管 N r较低且表观 QE 较高，但 EM-CCD 的 SNR 受 F n = 1.4 的影响很大，并且 EM-CCD 中的所有输入光水平都位于 eQE 占主导地位的区域。

第二代 ORCA-Flash4.0 和第一代 sCMOS 相机之间的图像均匀性比较。 (A) sCMOS 需要仔细的传感器和相机设计，以确保图像中每个像素的统一响应。 ORCA-Flash4.0具有出色的图像均匀性。 (B) 第一代 sCMOS 显示垂直条纹。由于此类图案在低光照水平下可能不会出现，因此在其他强度下寻找这些条纹非常重要。

审核编辑 黄宇