濱松相機(jī)，從未停止追求巔峰的腳步

qCMOS：從低噪聲到光子定量（Photon Number Resolving）

圖像質(zhì)量是成像中的核心關(guān)注點(diǎn)，可以通過兩個概念予以評價：信噪比和分辨率。關(guān)于相機(jī)成像的信噪比，主要與4個因素相關(guān)：

（1）樣品信號的強(qiáng)度和顯微鏡物鏡等光學(xué)系統(tǒng)對信號的收集能力；

（2）曝光時間，一般而言，延長曝光時間會帶來信噪比的上升，但會犧牲幀速；

（3）量子效率；

（4）讀出噪聲。

從相機(jī)的角度，量子效率與讀出噪聲分別對應(yīng)了信號與噪聲，其比值越高，信噪比也就越高。完美的定量相機(jī)（Quantitative Camera）一直是濱松孜孜不倦追求的方向，而信噪比的不斷提升則是其中的核心。

相機(jī)成像中，信號中的光子在像素中轉(zhuǎn)化為電子被收集——稱之為光電子。光子定量就是通過精確定量光電子的方式得到每個像素所收集到的光子數(shù)目。

在光子轉(zhuǎn)換為光電子之后，光電子會在相機(jī)芯片中轉(zhuǎn)化為電壓/模擬信號。雖然會有一個轉(zhuǎn)換系數(shù)存在（例如0.16 mV/電子），但是由于讀出噪聲的原因，當(dāng)一個像素中有3個光電子時，讀出的電壓并不一定就是 3e x 0.16mV/e = 0.48 mV，而是一個0.48 mV左右的一個不確定的電壓數(shù)值，可能是0.43 mV，也可能是0.62 mV；粗略地說，讀出噪聲越大，這個不確定性就越大。這就意味著，如果讀出噪聲比較大，當(dāng)相機(jī)芯片中讀出0.48 mV的時候，對應(yīng)像素中的光電子可能是3個，也可能是2個，4個，甚至1個，5個。

但如果讀出噪聲足夠小，就不會出現(xiàn)上述情況——當(dāng)讀出0.48 mV的時候，我們就能確定對應(yīng)像素上是3個光電子，而非其他。通過概率理論計算，當(dāng)RMS讀出噪聲（Readout noise rms，更多介紹參考《sCMOS相機(jī)的讀出噪聲》一文（

http://share.hamamatsu.com.cn/specialDetail/1178.html） 為0.3e 時，這個準(zhǔn)確度達(dá)到90%以上。

濱松ORCA-Quest qCMOS相機(jī)的最低讀出噪聲為0.27e rms，這就是qCMOS相機(jī)可以實現(xiàn)光子定量功能核心。用戶可以直接讀出每個像素中精確的光電子數(shù)目，從而獲得像素所收集的光子數(shù)目，即光子定量（Photon Number Resolving）。

qCMOS光子定量（Photon Number Resolving） vs EMCCD的光子計數(shù)（Photon Counting）

qCMOS具有光子定量的功能，而EMCCD也有一個聽上去非常類似的光子計數(shù)功能——這兩者從原理到效果卻是完全不同的。

qCMOS中光電子被直接轉(zhuǎn)換為電壓信號，由于壓制了這個過程中的讀出噪聲，我們能夠精確地區(qū)分像素中有3個光電子還是4個光電子，甚至是571個光電子還是572個光電子。

但在EMCCD中，電子轉(zhuǎn)換電壓這一步驟中地讀出噪聲并不低，通常在幾十個電子這個水平。為了增加信噪比，EMCCD會把像素中的光電子在電場中加速，加速的電子轟擊材料產(chǎn)生更多的電子，這種電子倍增過程通常會將一個電子的信號放大到幾百上千個電子，所以在這種情況下，幾十個電子的讀出噪聲通常就可以忽略了。

利用這個原理，EMCCD能夠非常容易地區(qū)分像素中光電子的有無，沒有光電子，信號就是0；一旦有1個光電子，信號就會是幾百上千，非常容易分辨。所以當(dāng)光信號非常弱——以至于每個像素上只有1個光電子或沒有光電子地時候——我們就能夠通過上述效應(yīng)，非常容易地區(qū)分，而不受幾十個電子的讀出噪聲的影響，這就是EMCCD光子計數(shù)模式的原理。

qCMOS具有光子定量的功能，而EMCCD也有一個聽上去非常類似的光子計數(shù)功能——這兩者從原理到效果卻是完全不同的。從上述描述可知，EMCCD的核心是在電子倍增這個過程，但也正是在電子倍增這個過程中，會產(chǎn)生額外的不確定性（有時被稱為乘性噪聲），一個光電子經(jīng)過倍增，可能變成了300個電子，也可能變成了400個電子。這個額外的不確定性，使得EMCCD雖然能夠區(qū)分像素中有或者沒有光電子，但不能夠精確定量。

總結(jié)起來，qCMOS由于直接壓制讀出噪聲提升信噪比，在光子定量功能中，不僅能夠區(qū)分0個或者1個光電子，還能區(qū)分2，3，4，5一直到571，572個光電子等等。而EMCCD的信噪比提升來自于電子倍增過程對信號的放大，EMCCD的光子計數(shù)功能（photon counting）能夠區(qū)分0和1，但并不能精確地告訴我們像素中究竟是3個還是4個光電子，就更不用說571個還是572個了。

更高的分辨能力——對背照結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

相機(jī)像素中，光子被硅等半導(dǎo)體材料轉(zhuǎn)換為光電子之后，會被相應(yīng)的電路收集；這些電路結(jié)構(gòu)會阻擋光信號。為了消除這部分信號損失，背照技術(shù)中將這些電路結(jié)構(gòu)放到了芯片的背后（如下圖）。

在理想的情況下，每個像素中的光電子會被本像素的電路通過電場進(jìn)行收集，但在背照芯片中，由于結(jié)構(gòu)畢竟有一定的厚度，收集光電子的電場可能并不容易將本像素對應(yīng)的光電子全部收集——一部分光電子會擴(kuò)散到相鄰像素中，造成相機(jī)分辨率的下降。這也是為什么一般而言，前照式相機(jī)的分辨率會優(yōu)于對應(yīng)參數(shù)的背照式相機(jī)。

在濱松ORCA-Quest qCMOS相機(jī)中，我們采用了溝槽結(jié)構(gòu)（Trench Structure），阻擋了相應(yīng)的光電子擴(kuò)散，提升了相機(jī)的分辨率。

如上所述，濱松對于背照CMOS的相機(jī)芯片進(jìn)行了改進(jìn)，推動著成像質(zhì)量一點(diǎn)一滴的提升。分辨率僅僅是其中的一個方面，在下圖中，我們還能看到，濱松ORCA-Quest相機(jī)同時還解決了背照芯片在近紅外成像中出現(xiàn)干涉條紋的問題。

低噪聲與高幀速——魚與熊掌可以兼得

濱松不僅做到了行業(yè)巔峰的信噪比，在速度上也絕不妥協(xié)，ORCA-Quest在940萬像素，4096x2304這樣的分辨率下能夠做到120幀/秒，選擇合適大小的ROI甚至能將幀速提升至72521幀/秒。

sCMOS雖然比EMCCD大大提升了分辨率和幀速，但是在最高幀速模式下，噪聲通常也比較高，例如讀出噪聲最低的sCMOS相機(jī)FusionBT在最高速時的讀出噪聲是1.4e rms. 而ORCA-Quest在全幅高達(dá)4096x2304這樣的分辨率下高速檔120幀/秒時，讀出噪聲也只有0.43e rms——這比FusionBT的最低速檔，也就是讀出噪聲最小的檔0.7e rms還要低。在實現(xiàn)高速的同時，保持超低的噪聲。

參數(shù)