Sona 4.2B-6背光sCMOS相机的低噪声模式

对于大多数应用程序bob综合app官网登录的16位高动态范围模式Sona 4.2 b - 6将是最灵活的，因此对于大多数成像应用来说是最有用的模式，因为它结合了速度、最宽的动态范围和低噪声下限。bob综合app官网登录但当需要最高灵敏度和尽可能低的噪声下限时，可以利用Sona 4.2B-6的低噪声模式功能。这种低噪声模式使用a二次相关多采样(2-CMS)方法，以便在保持高帧率的同时实现低噪声下限。因此，选择低噪声模式成像最弱的信号，例如，活细胞成像应用，寻求降低照明强度和使用短曝光时间，以尽量减少对细胞生物学的不利影响。bob综合app官网登录

2-CMS低噪声模式是如何工作的?

读出噪声的组成

在正常的传感器读出过程中，噪声是由传感器本身产生的，称为“读噪声”。尽管现代sCMOS传感器设计中的读噪声量非常低，但它确实对噪声下限设置了限制，并最终影响了相机的灵敏度，即相机检测非常低信号电平的能力。

图1:科学相机的读噪声非常低。然而，当信号电平和信噪比降低时(右)，相机的读噪声对灵敏度施加了限制。

读噪声本身来自两个主要来源:放大器增加低电平信号，使其可以进一步处理，这被称为“放大器噪声”，以及每次电荷从像素清除，这被称为“复位噪声”。在sCMOS相机的情况下，这种读噪声表示为中值或均方根图的分布，因为每个像素实际上都有自己的电路和噪声值。这在技术说明中有讨论，理解sCMOS中的读噪声．

如何克服读噪声，提高信噪比?

有几种实用的方法可以提高信噪比，其中两个常见的例子是:

• 增加曝光时间-收集更大的信号，从而提高信噪比。但这不仅会降低帧率，还意味着增加照明时间，这将对荧光团和细胞产生未来的影响。
• 像素装箱-通常用于CCD传感器，在读取之前对2x2或4x4阵列的像素输出求和，以牺牲空间分辨率为代价，为噪声提供更高的信号。然而，sCMOS传感器具有不同的传感器架构，因此它是无法在读取之前对像素进行求和，因此无法获得降低读取噪声的好处．

另一种策略是处理读噪声本身的来源。复位噪声元件通常在数字电路(包括sCMOS相机)采用相关双采样(CDS)，将放大器噪声作为主要成分。放大器的噪声可以通过在一个称为相关多采样(CMS)的过程中对信号进行多个采样来降低。这种方法的潜在缺点是通过单个读取通道采集多个样本，传感器的帧速率可能会降低。虽然这可能适用于固定细胞，但不适合许多活细胞成像应用。bob综合app官网登录

使用2-CMS降噪来保持低噪音速度

在正常工作下，带有双通道放大电路的sCMOS传感器上、下读出通道以低增益(用于高电平信号)和高增益(用于低电平信号)通道格式工作。它们可以以单一通道格式使用，也可以组合使用，以提供完整的图像数据范围(图2)。有效地结合2个增益通道是困难的，但通过这种方式使用，与CCD和EMCCD相机相比，sCMOS相机可以提供更高的动态范围能力。从实用的显微镜角度来看，这意味着更多的样品通常在范围内，由于“过饱和”或“太暗”的样品，调整和重新成像更少。对于Andor Sona相机，他们开发了一种称为“扩展动态范围，以实现比其他采用相同传感器的相机更线性，从而更广泛的有效动态范围。

图2:带有双通道放大器的sCMOS传感器，如图中所示的Sona，可以使用2个增益通道从使用2个通道采样的信息重建16位图像。这提供了一个特殊的动态范围。

Sona 4.2B-6(和Marana 4.2B-6)中使用的GS2020BSI传感器还允许进一步配置2个增益通道。在用于2-CMS的配置中，两个读出通道都充当“高增益”通道，如图3所示。通过同时从每个通道取一个样本，读噪声水平可以被削减Ö2的一个因素。这相当于将GS2020BSI传感器的正常读噪声从~1.6e- [1.8e-rms]降低到~1.2e- [1.3e- rms]。

图3:GS2020BSI传感器中为16位和2-CMS模式配置增益通道的简化表示。

如果我们按照正常操作考虑信号的单个样本，则信号和噪声分量表示如下:

对于2- cms模式，在同一时间点使用两个增益通道对信号进行2个采样，这将变成:

图4:Sona 4.2B-6的低噪声模式可以证明在低光水平下的改善。在本例中，使用OpticalZilla灯光装置来显示HDR模式(左)和低噪声模式(右)之间的比较。子窗口显示了设置为相同尺度的两种模式下图像的相对信号和噪声成分。

使用2-CMS的好处和利弊是什么?

由于2-CMS方法使用2个单独的通道同时对信号进行采样，因此与CMS方法相比，传感器的帧速率不会受到相同的帧速率影响。由于2个增益通道现在被组合为12位输出，而不是用于覆盖16位范围，动态范围将减少到单个增益通道的范围(图5)。因此，重要的是最大化这一点，以便该模式在实践中尽可能有效。

图5:通过有效地使用2个高增益通道来执行2- cms，以牺牲动态范围(上图右)为代价降低了读噪声。

表1:与传感器制造商指定的HDR模式配置相比，2-CMS模式下的GSENSE2020BSI传感器的标准规格。

在表1中，我们可以看到2-CMS模式下的读噪声与正常的16位模式相比有所降低。虽然最大帧率降低了，但对于大多数应用程序来说，43帧/秒仍然足够快。bob综合app官网登录因此，在低噪声模式下作业的主要缺点是减少了井深。这使得在这种模式下最大化有效井深变得非常重要。

Andor优化了2-CMS模式的实现，以实现完整的潜在井深和线性度，使这种低噪声模式更适合于更广泛的样本。下表显示了2-CMS模式下使用的参数，以及在使用GSENSE2020BSI的两种相机设计中如何实现这些参数，以及井深、线性度和动态范围的差异。

表2:使用GSENSE2020BSI传感器的相机中相关多采样低噪声模式实现的比较。

实现的井深比另一个实现该模式的相机高1.8倍。这使得Sona 4.2B-6在这种成像模式下具有更宽的操作窗口和更有效的功能。此外，对于全范围16位图像数据，Sona 4.2B-6的定量精度也更高(>99.7%)，这对于FRET或其他比率数据集等定量测量至关重要。

图6:Sona 4.2B-6的低噪声模式已经过优化，以获得在弱光水平下的最佳性能。这可以在弱光样品上得到证明——在本例中，广泛使用的FluoCells #1 BPAE细胞(Invitrogen)在非常低的曝光时间下成像，以提供简单的比较。

如上所述，Sona 4.2B-6的低噪声模式非常适合于活细胞成像，寻求降低照明强度和使用尽可能短的曝光时间，以最大限度地减少对正在研究的细胞生物学的不利影响。

Sona如何进一步提高灵敏度

除了使用2-CMS模式的低噪音和背光照明提供的高量子效率外，Sona相机系列还具有更深的冷却能力，由独家真空技术实现。这种无与伦比的冷却传感器的能力对相机噪声有两个重要影响:

• 减少暗电流相机传感器本身固有的，随着时间的推移而增加- Sona具有最低的暗噪声贡献的任何背光相机。这有助于延长需要较长曝光时间的实验的可用曝光时间。
• 减少高值或不均匀值像素的数量否则需要通过sCMOS相机中的插值滤波器进行校正。插值滤波器是不可取的应用，如基于本地化的超分辨率。

图7:Sona-4.2B-6具有出色的噪声特性，从而获得更清晰的图像，减少了对插值滤波器的需求。

由于GS2020BSI传感器的优化实现，Sona 4.2B-6具有出色的噪声性能，从而实现了高灵敏度，最高的定量精度和尽可能低的噪声。这将转化为最干净的图像，所需的额外图像过滤器最少。

Sona低噪音2-CMS模式优点:

• 尽可能降低噪音(接近1e -)
• 高帧率(超过40帧/秒，低噪音)
• 最高可能的定量精度(>99.7%)
• 无插值滤波器的最低热像素(比其他背光相机低5倍)
• 最低暗电流噪声贡献(低至0.1e-/p/s)
• 比其他基于GS2020BSI的相机更宽的动态范围(x1.8)