sCMOS传感器的冷却重要吗

超低值的~1电子均方根读噪声可从今天sCMOS相机这是前所未有的，甚至比最好的CCD相机性能都要好得多。读噪声是影响相机噪声底限检测的重要因素，但热噪声分量(暗电流)也很重要。对于基于CMOS的相机，即使是适度的曝光时间也会导致大量的暗电流噪声，影响成像质量。这使得考虑暗电流和读取噪声对于最小化相机的总体噪声底非常重要。

虽然传感器的设计和生产将决定相机暗电流的基准水平，但我们可以抑制暗电流的方法之一是通过冷却传感器。因此，通过使用有效的传感器冷却，Andor的sCMOS摄像机被设计成具有尽可能低的暗电流。事实上，安多·尼欧，索娜而且MaranasCMOS相机是市面上唯一采用永久真空技术的CMOS相机。这允许最深层的热电冷却(分别到-40°C和-45°C)，从而最大限度地减少暗噪声的有害影响。

图1 -从竞争对手的sCMOS相机测量的传感器冷却温度为+5°C与0°C和-30°C(分别从Zyla和Neo sCMOS测量)下，sCMOS噪声底(读噪声和暗噪声的正交组合)随曝光时间的变化曲线。图显示了三个曝光时间范围:0 - 2秒，0 - 10秒和0 - 600秒。

图1显示了sCMOS传感器CIS2051在+5°C、0°C和-30°C三种不同冷却温度下的噪声底与暴露时间的理论图。用于确定总体噪声底的参数是基于~ 1电子的典型读噪声“基线”，结合在每个温度下测量到的CIS 2051 sCMOS传感器的典型暗电流，分别为0°C和-30°C，分别来自Andor Zyla和Neo sCMOS相机。传感器在+5°C时使用的暗电流值取自另一家相机制造商提供的数据表。组合噪声以正交方式计算，即使用“平方和的平方根方法”。

图2 -如图所示，热噪声可以牺牲sCMOS的低检测限。Neo sCMOS在-30°C和竞争sCMOS在+5°C下记录的低光图像，以相同的相对强度缩放显示;2秒曝光时间;560MHz读出速度。还显示了来自单行的比较线强度分布。

对于此处所示的曝光范围为2秒的示例，在+5°C的较高温度下，可以观察到低噪声底显著牺牲了近x2。相反，当冷却到-30°C时，可以保持~1电子噪声底。如果曝光时间延长到10秒，与+5°C相关的噪声底限显著降低到大于6个电子的值，即x6大于读噪声，而在更深的冷却下，噪声保持在小于1.5个电子的值。

对于非常低的光测量，并不是每个实验都需要非常短的曝光。有时我们需要将曝光时间延长到500毫秒到1秒来捕捉微弱的信号。对于其他如化学发光检测，有时可能需要将曝光时间延长到10分钟或更长时间。在600秒时，除非应用深度冷却，否则对噪声底的热贡献将变得非常大，如图C所示，在+5°C时达到> 45个电子。将冷却温度保持在-30°C将导致噪声底在较低的2.4电子在这个广泛的暴露期间。

图2显示了2秒曝光的暗图像，使用Neo sCMOS与竞争对手的sCMOS相机拍摄(使用相同的传感器类型，在+ 5°C下运行)。同样的相对强度缩放(在绝对电子方面)被用来显示每一个。由于sCMOS传感器在较高温度下的操作而产生的高暗电流的有害影响是显而易见的。因此，深度冷却可以被视为扩展了sCMOS传感器(如CIS2051)和其他流行传感器(如CIS2020 (Zyla 4.2PLUS)和GS2020BSI (Sona-6和Marana-6)的可用曝光范围。然而，即使有深度冷却，建议用于长时间曝光应用的是深冷CCD相机bob综合app官网登录，如iKon-M CCD，提供最佳的信噪比，而较慢的速度不是一个因素。

冷却sCMOS传感器对热像素瑕疵的影响是什么?

CMOS传感器特别容易受到所谓的“热像素”瑕疵的影响。这些是伪噪声像素，具有明显高于平均像素的暗电流。它们很容易被观察到，对图像有害，例如，可以通过完美的3D共聚焦图像看到明亮的矛。

传感器工作温度(℃)	>2e-/p/s的热像素个数
+ 5°C	28500年
-30°C	1800年

表1 - 550万像素2051 sCMOS传感器的典型热像素数(即高于平均暗电流像素)，在+5°C和-30°C的冷却温度下显示暗电流大于2 e /pix/秒。

值得庆幸的是，我们可以使用传感器的深度TE冷却来大幅减少传感器内热像素的数量，这意味着这些像素可以用于定量成像。表1显示，具有高于平均暗电流的典型像素数可以通过冷却传感器在实践中显著限制，这意味着它们不需要用插值滤波器处理。在这里所示的示例中，深度冷却将这些需要插值或其他校正方法的像素减少到总像素群的<0.03%。GS2020BSI传感器也观察到了类似的情况。我们确实希望避免使用插值滤波器和影响图像数据的完整性作为一般原则。事实上，应用于像素缺陷的这种插值在一些依赖于有限像素集上的总定量完整性的应用中是有害的，例如基于定位的超分辨率显微镜(如PALM和STORM技术)。bob综合app官网登录某些缺陷也可能无法纠正，如果一个集群碰巧出现彼此相邻。

图3 (a) -在不同温度下曝光1秒的瑕疵。

图3 (a)显示了sCMOS CIS2051传感器在多个不同冷却温度下的同一区域的3D强度图，每个区域在卷帘快门模式下的曝光时间仅为1秒。显然，冷却至-30°C及以上对于减少热像素峰值的发生非常有效，从而提供美观更干净的图像和更大比例的可用和有意义的像素。这反过来意味着需要使用最近邻中值替换算法处理的像素显著减少。即使使用30毫秒的极短曝光条件，在较高的冷却温度下仍然存在大量的热像素，如图3 (b)所示。

图3 (b) -30°C与+5°C暴露30 ms时的瑕疵

如何在有效冷却的同时避免震动?

在上面的章节中，我们已经看到，适度和深度冷却可以用于有效地最小化总体噪声下限，并获得尽可能低的检测限。冷却还减少了热像素和其他不均匀像素的数量，否则需要校正或应用插值滤波器。进一步考虑的是，一些光学配置对相机风扇的振动很敏感，如膜片钳、光学/AFM组合设置，或在高放大倍率下的超分辨率或其他快速成像。

安多相机有几个功能，允许深度冷却的好处，并最大限度地减少/消除振动。

Zyla系列

的Zyla 4.2PLUS和更新型号的Zyla 5.5采用低振动风扇，以帮助减少风扇引起的振动。Zyla的水冷版本也可用于振动关键实验。

Neo 5.5

的Neo 5.5可设置为风冷或液冷。对于风冷运行，风扇速度可以在2个速度之间调整。此外，Neo的深度冷却优势意味着内部风扇可以关闭一段时间。液冷也可以用来消除风扇引起的振动。

通过相机的“液体冷却”可以最大限度地减少振动，同时仍然稳定在-40°C。另外，如果需要在没有水冷却完全无振动的情况下运行，Neo风扇可以关闭一段时间，在此期间相机会被动冷却。表2显示了Neo相机在+ 25°C环境下运行时的典型风扇关闭时间。

传感器读出速度	所选传感器温度	强制上电前时间
560兆赫	0°C	60分钟
560兆赫	5°C	79分钟
560兆赫	15°C	93分钟
560兆赫	-15°C	9分钟
560 MHz #	-30°C	5分钟
200兆赫	-15°C	18分钟
200兆赫	-30°C	12分钟

表2 -在25°C的环境环境中运行Neo sCMOS时，在一系列冷却温度和读取速度下可实现的扇停时间示例。

Sona和Marana系列

与Neo 5.5一样，苹果也推出了舒鼾而且Marana背光sCMOS摄像机可以配置为风冷或液冷格式。在风冷下，2个风扇速度和短时间内关闭风扇是可能的。根据成像参数，可以在风扇开关打开前运行Sona和Marana摄像机几分钟。这为水冷却消除振动提供了一个方便的替代方案——前提是实验时间短，并且在获取后续图像之前有时间让传感器恢复到设置的温度。液冷提供了最有效的深度冷却和消除振动。