相机像素大小和光子采集

近年来在显微镜中可以看到的一个趋势是对成像传感器的兴趣，它具有更大的视场和更小的像素尺寸，以便在较低的放大倍率(如20倍)下工作时保持图像细节。但是，小像素是否总是更好，或者是否仍然存在大像素更有利的情况?在本文中，我们将考虑像素大小，以及较大的像素大小是否仍然有用，如果是的话，在哪里适用。

像素的作用

传感器中像素的作用是在成像区域的一个亚单位内收集光子，然后将这些光子转换为电信号。通过将这些信号数字化，可以从每个像素处接收到的值重新创建图像。收集光和将光转换成电信号的效率越高，探测器的灵敏度就越高。这一直是CCD和CMOS传感器技术的关键驱动因素，例如背光照明和微透镜的使用是提高这些设备效率的方法。现有的最新传感器的量子效率高达95%，即95%的入射光子在硅的光敏区域转化为电子，而10多年前的设备则被限制在60%左右的峰值QE。

图1:现代传感器格式通过结合高光子收集效率和转换以及低噪声电子器件实现高灵敏度。此图显示了一种背光式传感器，其中电路位于光敏区下方，因此不会阻挡光线到达光子可能转换为电子的区域。

像素大小对成像有什么影响?

传感器设计和制造的发展使传感器能够装入更小的像素。虽然像素越多越好，但像素大小必须平衡以适应应用程序的需要。除了逆光等其他传感器技术的改进之外，像素大小如何影响成像主要有三个方面。表1总结了这些情况:

表1:与像素大小和图像关系相关的传感器参数

本文更全面地讨论了像素尺寸与显微镜视场的匹配以及分辨率的保持:优化显微镜的视野和分辨率．在接下来的章节中，我们将关注像素大小和光子收集效率。

像素大小和光子收集效率

在表2中，我们可以看到当前可用于显微镜的一系列市售高性能成像传感器的像素大小:

表2:对于不同相机型号的范围，每个像素的光子收集区域

一般来说，CMOS传感器的像素尺寸比EMCCD和CCD传感器小。CMOS传感器架构还允许比基于CCD的设计更高的速度和更大的传感器尺寸。这些品质适合一般的荧光成像应用，允许在细胞生物学研究的普通放大倍率下提供良好的图像细节，并使sCMObob综合app官网登录S成为许多显微镜学家的主要探测器技术。
尽管sCMOS探测器的兴起，EMCCD和CCD探测器仍然是一些最具挑战性的成像应用的最佳选择，而且这种情况似乎还将持续一段时间:bob综合app官网登录
•EMCCD相机使用电子乘法，有效地消除读出噪声。这种独特的特性使得这种传感器技术非常适合进行精确的定量测量，甚至是单光子，例如单分子成像，而且还适用于活细胞共聚焦成像和超分辨率系统。
•深冷CCD相机的暗电流比CMOS设计低数量级，使其非常适合长曝光发光实验，暗电流有限，CCD的较慢读数不是一个因素。

这些EMCCD和CCD摄像机也扮演了一个重要的因素，为什么他们仍然适合这些成像场景。当光子采集是优先级时，较大的像素可以有效地充当更大的光子集水区域——向传感器输入更多信号。这就是为什么最新的EMCCD传感器设计具有13-16 μ m范围内的像素尺寸，适合在高放大倍率(例如100倍)下进行光子收集。注意，小像素尺寸的EMCCD相机是可用的，但它们没有获得任何市场吸引力，因为它们没有提供比大像素EMCCD或sCMOS相机选项更大的应用优势。在下面的插图中，iXon Ultra 888 EMCCD相机的原生像素面积比典型的sCMOS相机高4倍，比CMOS传感器的像素面积大8倍。

图2:大像素尺寸用于EMCCD和CCD相机，以获得优越的光子收集效率和提高光子被检测的概率。这个例子说明了13 μ m, 6.5 μ m和4.6 μ m像素的相对尺寸。

那么大像素的sCMOS传感器格式呢?

有一些背光式sCMOS相机的像素大小为11微米，与典型的CMOS相机相比，这是一个相对较大的像素。这些相机型号，如Sona-11 sCMOS系列，可以利用比通常在sCMOS相机中发现的6.5微米像素大小高3倍的聚光能力。

对于一些应用，如单bob综合app官网登录分子检测，以及高放大倍率，像Sona-11这样的大像素sCMOS相机可以提供一些好处:

• 更高的灵敏度超过小像素的sCMOS相机和视野
• 与EMCCD相机相比，更高的速度和更大的视野，以及更多的图像采样。

然而，对于更具挑战性的单分子实验，较大的像素尺寸和高QE并不总是足够的。EMCCD传感器特有的电子倍增过程在读数之前将信号提升了许多倍，因此信号远远高于相机读出电子器件的噪声底，并且在实践中被证明可以在低于任何CMOS技术可能的光子水平上运行

信噪比比较

在这里，我们比较了2个除了像素大小之外具有所有相同因素(QE，读噪声，暗电流)的相机，并比较了像素大小对给定照明的光落在每个传感器上时相对信噪性能的影响。

表3:简化的信号对噪声的比较，以说明像素大小提供的信号成分的增加。

在最简单的比较中，相机2将提供一个显著更高的信噪比，因为每个像素的信号分量都增加了。为了考虑成像相机的信噪比，我们需要使用以下的信噪比方程来建模涉及的不同信号和噪声分量:

使用这些信息，我们可以根据光子的数量绘制信号到噪声的图，通过以面积为基础表示光子来计算传感器上的照明强度——在本例中，我们将表示每13µm²传感器面积:

图2:像素大小对2个传感器的信噪比性能的影响的比较，除了像素大小外，所有因素都相同，当光子归一化超过每13µm时。

由此我们可以看到，更大的像素确实允许更高的信号噪声-大约2.5倍高，每13µm 10个光子²．这将转化为以下好处:

• 提高灵敏度-具有较低的检测极限
• 在低信号水平下，数据的可信度更高
• 当光线更充足时减少暴露，这对许多活细胞研究是有益的。

然后我们可以将其应用到现实世界的相机示例中:

图3:为灵敏度和最高信噪比而开发的相机具有大像素尺寸。通过每13µm区域归一化来校正像素大小的照明。

在图3所示的比较中，我们可以看到像素较大的相机提供了更好的信噪比，如iXon Ultra 888和Sona-11型号，它们符合其预期应用，优先考虑灵敏度和检测，而不是在低光水平下的空间分辨率。bob综合app官网登录其他具有较小像素的CMOS模型即使具有较低的噪声水平，也不能提供高信噪比。它们将提供更好的空间分辨率。

你可以使用像素分组来提高小像素CMOS传感器的信噪比性能吗?

较小的像素可以是扔进垃圾箱-据此，若干像素内的信号可汇集在一起，以增加整体信号水平。一个常见的例子是2x2分箱，它将4个像素的信号分组在一起，如图3所示。这对于CCD有效地提高了速度和灵敏度，因为CCD的串行特性允许在添加读噪声之前添加每个像素值。在光谱测量成像之外，分形也特别有效，因为垂直分形可以应用，而不用担心y轴上的分辨率下降。

图4:2x2分箱应用于传感器，以提高4个像素的光子收集和信噪比，但牺牲了空间分辨率。

然而，CMOS的架构是不同的。在分仓之前，每一行都必须按行顺序读取，这意味着对于目前使用的CMOS传感器来说，分仓不会像CCD那样带来信噪比(和速度)的好处。sCMOS的数字分箱在2x2分箱的情况下仍然组合4个像素的he值，但是由于读取了2个像素行，读取噪声也增加了2倍。

图5:虽然分箱在CMOS上的效果不如CCD，但与不牺牲空间分辨率的情况下相比，它仍然可以提高信噪比。

对于较小的4.6 m像素的CMOS传感器，需要3x3分箱才能获得与13 m像素相同的光子收集区域。因此，在这种传感器类型中，3x3 binning将使读噪声增加3倍。

光学匹配呢?

理想情况下，传感器尺寸应适合显微镜的均匀区域，像素尺寸应匹配用于成像的物镜和放大倍率。然而，对于传感器、显微镜和应用需求的不同组合，有时情况并非如此。额外的后物镜放大可用于避免渐晕效应，或扩大视场，以覆盖更大的传感器区域。额外放大的另一个应用是帮助满足图像的最佳采样，以满足或超过奈奎斯特标准，例如增加一个2倍的镜头，减少像素大小x2，有助于提高空间分辨率，但减少视场。因此，虽然有用，有一些考虑使用额外的透镜在光学系统。本文将进一步讨论这个主题:优化显微镜的视野和分辨率．

最大的像素意味着更大的井深高动态范围

与像素大小相关的成像性能的最后一个方面是传感器的井深，以及如何使用它来实现高动态范围。当正确实现时，较大的像素通常比使用较小的像素允许更大的信号处理能力。

表4:几种相机的井深比较。请注意，最大动态范围可能会受到某些模式的限制，为每个不同的相机模型，所以不在这里提出。

在成像方面的影响将是使用小像素可能意味着低动态范围，从而导致图像信息的过饱和和丢失。因此，对于高动态范围是重要的应bob综合app官网登录用，一个优化良好的较大像素尺寸的传感器可能比一个较小像素尺寸的传感器更适合。

可能需要高动态范围的成像场景包括:

• 发光:实验可能涉及非常微弱到高水平的信号，以提供基因表达的生物学相关信息。
• 神经元成像神经元有时会带来挑战，因为神经元中心区域的强信号可能会有很大的场景内动态范围，而远端区域则表现出低水平的荧光。
• 钙成像-鉴于钙的大量功能，有许多不同的实验条件。对于其中一些，钙火花和心脏和其他细胞的某些研究，它们也需要宽的动态范围。
• 大型3D体积-当对大型数据集进行成像时，不同区域(例如斑马鱼)的信号水平可能存在很大差异。这可以使设置曝光和其他图像设置的问题，一些试验和错误，以获得良好的图像。具有宽动态范围的传感器有助于处理此类数据集的动态性质。

宽动态范围的另一个好处是从实际意义上讲——具有宽动态范围的传感器通常在范围内，并且避免饱和，需要较少的设置调整，如曝光。

结论

虽然人们对小像素的成像相机很感兴趣，以在低放大倍率下保持图像细节，但在低光应用中仍然非常需要大像素的相机。bob综合app官网登录

• 小像素尺寸的相机适合低放大倍数的研究。许多模型都可以在这种高光环境下工作。
• 6.5 μ m像素大小是许多科学级显微镜相机常见的，为典型的基于荧光的应用提供了光子收集和分辨率之间的良好平衡。bob综合app官网登录
• 当希望从探测器获得最佳的灵敏度时，大像素尺寸的相机是最适用的，例如单分子成像和发光
• 在CCD和CMOS传感器中，分箱可用于提高信噪比，但对于CMOS传感器，分箱的好处不如CCD。

没有一种相机能比其他相机更好地完成所有的成像场景。值得庆幸的是，现在有一系列的相机可以选择，以适应不同的应用，例如最高的空间或时间分辨率，或最好的灵敏度。bob综合app官网登录这意味着必须首先考虑应用需求，而不是假设具有最大传感器和最多百万像素的最新型号的相机将是最佳选择。