東方閃光：sCMOS相機(jī)的讀出噪聲

sCMOS相機(jī)從2010年左右開始大規(guī)模商業(yè)化，并迅速地替代CCD相機(jī)成為高端科研相機(jī)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(yīng)用中。

無論對(duì)于CCD相機(jī)還是sCMOS相機(jī)，讀出速度越快，讀出噪聲越高。而sCMOS相對(duì)于CCD的一個(gè)核心優(yōu)勢(shì)，就是高速讀出時(shí)依然能夠保持極低的讀出噪聲。

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

圖1. sCMOS與CCD的讀出噪聲參數(shù)示例

但仔細(xì)看上圖的參數(shù)表，我們不難發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的問題——為什么CCD相機(jī)的讀出噪聲就一個(gè)數(shù)值，而sCMOS相機(jī)的讀出噪聲分別標(biāo)注了rms和median兩個(gè)數(shù)值？而且median的數(shù)值都會(huì)較低？

為了回答這個(gè)問題，我們首先得明白相機(jī)讀出數(shù)據(jù)的基本流程。

相機(jī)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(gè)像素中轉(zhuǎn)化為電子；（2）這些電子接著通過floating diffusion amplifier（FDA）轉(zhuǎn)化為電壓；（3）電壓會(huì)被再次放大，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）變成數(shù)字信號(hào)。落到各個(gè)像素上的光子被如此轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并最終在電腦上排列顯示成圖像。

圖2. 相機(jī)讀出的基本流程示意

sCMOS與CCD在讀出結(jié)構(gòu)上的區(qū)別

對(duì)于CCD，每個(gè)像素的電子會(huì)逐一通過同一套包含F(xiàn)DA、ADC的電路進(jìn)行讀出；而在sCMOS中，每個(gè)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。

圖3. CCD（A）與sCMOS（B）在相機(jī)讀出結(jié)構(gòu)上的區(qū)別

sCMOS和CCD中讀出噪聲的評(píng)價(jià)參數(shù)

在整個(gè)信號(hào)讀出過程中都會(huì)引入噪聲——稱之為讀出噪聲。如 《信噪比——高端科研級(jí)相機(jī)的核心參數(shù)》 一文中所述，相機(jī)的噪聲主要來源于三個(gè)部分——信號(hào)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(cè)量計(jì)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(chǎn)生的讀出噪聲。所以測(cè)量讀出噪聲時(shí)用的都是將相機(jī)的蓋子蓋上（沒有信號(hào)）并采用最短的曝光時(shí)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(gè)像素都能得到約1000個(gè)讀出數(shù)值——其標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation，σ）可以反映出對(duì)應(yīng)像素的讀出噪聲大小。

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

在CCD中，由于讀出電路對(duì)于所有像素是一樣的，所以每個(gè)像素所得出的標(biāo)準(zhǔn)差（σ）也基本一致，故而CCD相機(jī)的參數(shù)表中，一個(gè)單獨(dú)的數(shù)值——各個(gè)像素的σ的均方根（RMS）——就能夠代表其讀出噪聲。

而sCMOS各個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的讀出電路則并不相同，會(huì)形成一個(gè)分布曲線（如圖5）。為了展現(xiàn)這條曲線的特征，sCMOS相機(jī)的參數(shù)表中一般會(huì)給出Median和RMS兩個(gè)數(shù)值——前者是所有像素的σ的中位數(shù)；后者是所有像素的σ的均方根（RMS）（如圖4）。

圖5. sCMOS相機(jī)的讀出噪聲分布曲線示例

由于sCMOS相機(jī)芯片上總會(huì)有很少量但讀出噪聲特別高的像素（稱為noisy pixel，如圖6）——對(duì)中位數(shù)影響要小于對(duì)RMS的影響，所以一般情況下Median數(shù)值會(huì)低于RMS數(shù)值。

sCMOS中noisy pixel的處理

當(dāng)信號(hào)比較強(qiáng)的時(shí)候，來自信號(hào)的散粒噪聲是主導(dǎo)，上述的noisy pixel并不重要（詳細(xì)參考 《信噪比——高端科研級(jí)相機(jī)的核心參數(shù)》 ）。但當(dāng)弱光成像時(shí)，這些像素會(huì)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(shù)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(dāng)前sCMOS相機(jī)發(fā)展中的一個(gè)重要問題。

濱松一直關(guān)注高端成像的需求，對(duì)這個(gè)問題提供了兩個(gè)層次的解決方案：

（1）在電路等相機(jī)硬件設(shè)計(jì)中，不僅追求更低的讀出噪聲參數(shù)，尤其關(guān)注減少noisy pixel。圖6-B，D為ORCA-Fusion相機(jī)的實(shí)際圖片，相比于前代的ORCA-Flash 4.0（圖6-A，C），其noisy pixel明顯減少。

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

（2）提供4檔可調(diào)的像素校正功能。在最強(qiáng)的校正中，即使長(zhǎng)時(shí)間曝光的圖像也不會(huì)出現(xiàn)明顯的噪點(diǎn)；而反過來，也可以選擇完全不進(jìn)行任何校正得到最為原始的數(shù)據(jù)，利于需要自行設(shè)計(jì)算法的成像技術(shù)開發(fā)。

審核編輯黃宇