东方闪光：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。

审核编辑 黄宇