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東方閃光:sCMOS相機的讀出噪聲

jf_64961214 ? 來源:jf_64961214 ? 作者:jf_64961214 ? 2023-05-12 07:13 ? 次閱讀

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sCMOS相機從2010年左右開始大規模商業化,并迅速地替代CCD相機成為高端科研相機的主流。諸如濱松ORCA-Flash 4.0等一批旗艦sCMOS以其高速高靈敏度的特征,也逐漸被用于超分辨顯微成像、lightsheet等尖端成像應用中。

無論對于CCD相機還是sCMOS相機,讀出速度越快,讀出噪聲越高。而sCMOS相對于CCD的一個核心優勢,就是高速讀出時依然能夠保持極低的讀出噪聲。

以最為經典的旗艦級sCMOS(濱松ORCA-Flash 4.0)和當年頂級的冷CCD相機(濱松ORCA-R2)為例:sCMOS相機(100幀/秒 @ 420萬像素)不僅速度上遠遠超出CCD 相機(16.2幀/秒 @ 130萬像素),其讀出噪聲也大大低于CCD相機(如圖1)。

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圖1. sCMOS與CCD的讀出噪聲參數示例

但仔細看上圖的參數表,我們不難發現一個有趣的問題——為什么CCD相機的讀出噪聲就一個數值,而sCMOS相機的讀出噪聲分別標注了rms和median兩個數值?而且median的數值都會較低?

為了回答這個問題,我們首先得明白相機讀出數據的基本流程。

相機讀出的基本流程

無論是CCD還是sCMOS,其基本的原理是一致的:(1)入射的光子在各個像素中轉化為電子;(2)這些電子接著通過floating diffusion amplifier(FDA)轉化為電壓;(3)電壓會被再次放大,并通過模數轉換器ADC)變成數字信號。落到各個像素上的光子被如此轉化為數字信號,并最終在電腦上排列顯示成圖像。

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圖2. 相機讀出的基本流程示意

sCMOS與CCD在讀出結構上的區別

對于CCD,每個像素的電子會逐一通過同一套包含FDA、ADC的電路進行讀出;而在sCMOS中,每個像素都有自己的FDA電路,而每行像素也都有各自包含ADC的電路。

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圖3. CCD(A)與sCMOS(B)在相機讀出結構上的區別

sCMOS和CCD中讀出噪聲的評價參數

在整個信號讀出過程中都會引入噪聲——稱之為讀出噪聲。如 《信噪比——高端科研級相機的核心參數》 一文中所述,相機的噪聲主要來源于三個部分——信號的散粒噪聲、暗電流的散粒噪聲和讀出噪聲。為了從圖像中測量計算讀出噪聲,就需要將前兩者的影響消除或降到最低,僅保留由于電路讀出過程所產生的讀出噪聲。所以測量讀出噪聲時用的都是將相機的蓋子蓋上(沒有信號)并采用最短的曝光時間(最大限度減少暗電流的累積)所得到的圖片(稱為dark image)。通過約1000張這樣的圖片,每個像素都能得到約1000個讀出數值——其標準差(standard deviation,σ)可以反映出對應像素的讀出噪聲大小。

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圖4. sCMOS與CCD的讀出噪聲參數。讀出噪聲一般以電子為單位,與相機芯片上光子轉化成的電子保持一致以便比較。

在CCD中,由于讀出電路對于所有像素是一樣的,所以每個像素所得出的標準差(σ)也基本一致,故而CCD相機的參數表中,一個單獨的數值——各個像素的σ的均方根(RMS)——就能夠代表其讀出噪聲。

而sCMOS各個像素所對應的讀出電路則并不相同,會形成一個分布曲線(如圖5)。為了展現這條曲線的特征,sCMOS相機的參數表中一般會給出Median和RMS兩個數值——前者是所有像素的σ的中位數;后者是所有像素的σ的均方根(RMS)(如圖4)。

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圖5. sCMOS相機的讀出噪聲分布曲線示例

由于sCMOS相機芯片上總會有很少量但讀出噪聲特別高的像素(稱為noisy pixel,如圖6)——對中位數影響要小于對RMS的影響,所以一般情況下Median數值會低于RMS數值。

sCMOS中noisy pixel的處理

當信號比較強的時候,來自信號的散粒噪聲是主導,上述的noisy pixel并不重要(詳細參考 《信噪比——高端科研級相機的核心參數》 )。但當弱光成像時,這些像素會影響到三維重組、x-z/y-z image projection等許多圖像后處理;尤其在STORM等超分辨顯微技術中,這些噪聲特別高像素也是需要注意的問題(Huang F., et al., Nature Methods, DOI:10.1038/NMETH.2488(2013))。所以如何消除這些noisy pixel的影響是當前sCMOS相機發展中的一個重要問題。

濱松一直關注高端成像的需求,對這個問題提供了兩個層次的解決方案:

(1)在電路等相機硬件設計中,不僅追求更低的讀出噪聲參數,尤其關注減少noisy pixel。圖6-B,D為ORCA-Fusion相機的實際圖片,相比于前代的ORCA-Flash 4.0(圖6-A,C),其noisy pixel明顯減少。

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圖6. ORCA-Flash 4.0(A,C)與ORCA-Fusion(B,D)的dark image對比。ORCA-Fusion的noisy pixel明顯較少。所有圖片都設置了相同的Look-up table,以便比較。

(2)提供4檔可調的像素校正功能。在最強的校正中,即使長時間曝光的圖像也不會出現明顯的噪點;而反過來,也可以選擇完全不進行任何校正得到最為原始的數據,利于需要自行設計算法的成像技術開發。

審核編輯黃宇

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