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sCMOS相机的读出噪声

sCMOS相机从2010年左右开始大规模商业化,并迅速地替代CCD相机成为高端科研相机的主流。诸如滨松ORCA-Flash 4.0等一批旗舰sCMOS以其高速高灵敏度的特征,也逐渐被用于超分辨显微成像、lightsheet等尖端成像应用中。


无论对于CCD相机还是sCMOS相机,读出速度越快,读出噪声越高。而sCMOS相对于CCD的一个核心优势,就是高速读出时依然能够保持极低的读出噪声。


以最为经典的旗舰级sCMOS(滨松ORCA-Flash 4.0)和当年顶级的冷CCD相机(滨松ORCA-R2)为例:sCMOS相机(100帧/秒 @ 420万像素)不仅速度上远远超出CCD 相机(16.2帧/秒 @ 130万像素),其读出噪声也大大低于CCD相机(如图1)。



图1. sCMOS与CCD的读出噪声参数示例


但仔细看上图的参数表,我们不难发现一个有趣的问题——为什么CCD相机的读出噪声就一个数值,而sCMOS相机的读出噪声分别标注了rms和median两个数值?而且median的数值都会较低?


为了回答这个问题,我们首先得明白相机读出数据的基本流程。


# 相机读出的基本流程


无论是CCD还是sCMOS,其基本的原理是一致的:(1)入射的光子在各个像素中转化为电子;(2)这些电子接着通过floating diffusion amplifier(FDA)转化为电压;(3)电压会被再次放大,并通过模数转换器(ADC)变成数字信号。落到各个像素上的光子被如此转化为数字信号,并最终在电脑上排列显示成图像。




图2. 相机读出的基本流程示意


# sCMOS与CCD在读出结构上的区别


对于CCD,每个像素的电子会逐一通过同一套包含FDA、ADC的电路进行读出;而在sCMOS中,每个像素都有自己的FDA电路,而每行像素也都有各自包含ADC的电路。




图3. CCD(A)与sCMOS(B)在相机读出结构上的区别


# sCMOS和CCD中读出噪声的评价参数


在整个信号读出过程中都会引入噪声——称之为读出噪声。如 《信噪比——高端科研级相机的核心参数》 一文中所述,相机的噪声主要来源于三个部分——信号的散粒噪声、暗电流的散粒噪声和读出噪声。为了从图像中测量计算读出噪声,就需要将前两者的影响消除或降到最低,仅保留由于电路读出过程所产生的读出噪声。所以测量读出噪声时用的都是将相机的盖子盖上(没有信号)并采用最短的曝光时间(最大限度减少暗电流的累积)所得到的图片(称为dark image)。通过约1000张这样的图片,每个像素都能得到约1000个读出数值——其标准差(standard deviation,σ)可以反映出对应像素的读出噪声大小。



图4. sCMOS与CCD的读出噪声参数。读出噪声一般以电子为单位,与相机芯片上光子转化成的电子保持一致以便比较。


在CCD中,由于读出电路对于所有像素是一样的,所以每个像素所得出的标准差(σ)也基本一致,故而CCD相机的参数表中,一个单独的数值——各个像素的σ的均方根(RMS)——就能够代表其读出噪声。


而sCMOS各个像素所对应的读出电路则并不相同,会形成一个分布曲线(如图5)。为了展现这条曲线的特征,sCMOS相机的参数表中一般会给出Median和RMS两个数值——前者是所有像素的σ的中位数;后者是所有像素的σ的均方根(RMS)(如图4)。



图5. sCMOS相机的读出噪声分布曲线示例


由于sCMOS相机芯片上总会有很少量但读出噪声特别高的像素(称为noisy pixel,如图6)——对中位数影响要小于对RMS的影响,所以一般情况下Median数值会低于RMS数值。


# sCMOS中noisy pixel的处理


当信号比较强的时候,来自信号的散粒噪声是主导,上述的noisy pixel并不重要(详细参考 《信噪比——高端科研级相机的核心参数》 )。但当弱光成像时,这些像素会影响到三维重组、x-z/y-z image projection等许多图像后处理;尤其在STORM等超分辨显微技术中,这些噪声特别高像素也是需要注意的问题(Huang F., et al., Nature Methods, DOI:10.1038/NMETH.2488(2013))。所以如何消除这些noisy pixel的影响是当前sCMOS相机发展中的一个重要问题。


滨松一直关注高端成像的需求,对这个问题提供了两个层次的解决方案:


(1)在电路等相机硬件设计中,不仅追求更低的读出噪声参数,尤其关注减少noisy pixel。图6-B,D为ORCA-Fusion相机的实际图片,相比于前代的ORCA-Flash 4.0(图6-A,C),其noisy pixel明显减少。



图6. ORCA-Flash 4.0(A,C)与ORCA-Fusion(B,D)的dark image对比。ORCA-Fusion的noisy pixel明显较少。所有图片都设置了相同的Look-up table,以便比较。


(2)提供4档可调的像素校正功能。在最强的校正中,即使长时间曝光的图像也不会出现明显的噪点;而反过来,也可以选择完全不进行任何校正得到最为原始的数据,利于需要自行设计算法的成像技术开发。


# 更多相关资料



信噪比——高端科研级相机的核心参数

ORCA-Fusion Technical Note

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