明察秋毫还是视而不见…被动冷却型sCMOS相机足以胜任吗?

2018-08-08 17:41:33 admin

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自2010年基于sCMOS图像传感器的科研级相机出现以来,这项技术就对显微镜应用的许多新技术和方法产生了巨大的影响。所有基于相机实现的超分辨和纳米级显微技术的方法主要利用了sCMOS相机的出色的低读出噪声、高量子效率和高帧率的优秀组合,再搭配其实用的6.5μm大小的像素,使sCMOS更加完美地适合于许多显微镜应用。

sCMOS 图像传感器技术在不断进步

在CMOS图像传感器常用制造技术上的改进,包括更高的集成密度、埋沟技术和晶片规模的backside thinning,并结合使用采用新技术和基于以前CCD技术的新想法,CMOS新型像素结构得以产生,这一切推动了sCMOS图像传感器技术的巨大进步。 首先要提到的是,通过图像传感器制造工艺上的改进,量子效率有了10% 的跨越提升。自此,sCMOS图像传感器, 像BAE Fairchild CIS2020A和GPixel GSESE2020E(见表1)能够提供大于80%的峰值的量子效率,这样的数值是以往前照明图像传感器不可企及的。此外,晶圆尺度的backside thinning技术现在已经成熟并且正在成为一个标准化的工艺,这催化了首个可使用的backside thinning的sCMOS图像传感器,如 GPixel的GSENSE400 BSI和GSENSE2020BSI, 它们开始给市场上剩余的EMCCD相机造成一定麻烦,因为它们可在低读出噪声,高分辨率和高帧速下,提供了相同的>90%峰值量子效率,只是没有增益。EMCCD相机的优点在于其内置的乘法增益使得它能够对单个光子进行成像。但在大多数成像应用中,即使在单分子荧光成像中也存在多个光子,信号的电平大小已不是的唯一的决定性的标准。

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sCMOS图像传感器特性实际参数表

由于读出噪声变得很小,大多数现有的sCMOS相机系统提供大约一个电子的噪声,但还有另一个参数也是我们的焦点,即噪声分布。以前总是假定噪声分布服从高斯分布,但这对第一代sCMOS图像传感器来说并不是事实。因此,许多科学家对sCMOS相机的噪声特点进行了研究,并就噪声行为对他们的特殊应用的影响发表了研究结果。由于之前提到的制造技术的创新和进步(例如埋沟技术的应用)以及创新的像素结构,使噪声情况得到了进一步改善。图1的直方图展示了图像传感器制造商GPixel公司测量的芯片噪声差异,说明了背照式图像传感器结构的改进,尽管确实暗电流升高,却带来了更理想的也更低的噪声表现。

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sCMOS图像传感器GESENSE2020e (前照式)和GESENSE2020BSI(背照式)在图像传感器温度35°C时的噪声直方图对比(数据来源:GPixel公司,长春,中国)

上面的噪声分布的测量是在35℃温度下进行的,而测试系统则放置在室温条件下。GSESE2020E和GSENSE2020BSI的中值读出噪声值分别为2.1 [e-]和1.76 [e-],这就带来了在没有图像传感器的主动冷却的情况下制作sCMOS相机的想法。如今,在显微镜下应用的所有sCMOS相机都是主动冷却型sCMOS相机,因为可以获得低读出噪声值,能够在几秒钟的曝光时间范围内进行成像,并保持相当低的和温度相关的暗电流值。但是,许多相关的新的显微技术方法,无论是localization microscopy技术如(PALM, STORM, dSTORM, GSDIM, DNA-PAINT),或是结构照明显微技术,或是光片荧光显微技术却仅依赖于高帧速率和较短的曝光时间。

未完待续…


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