长曝光热控成像

概述

CCD 是相机中成熟的科学传感器。CCD 传感器的主要优势之一是极低的暗电流，允许长曝光成像。相比之下，CMOS 传感器的暗电流比 CCD 高 100-1000 倍。

引言

CCD 是相机中成熟的科学传感器。CCD 传感器的主要优势之一是极低的暗电流，允许长曝光成像。相比之下，CMOS 传感器的暗电流比 CCD 高 100-1000 倍。但如果借助新的热控技术，CMOS 相机传感器也能进行长曝光成像呢？与 CCD 相比，CMOS 传感器通常具有更高速度、更大传感器尺寸以及持续改进和长期支持。

本技术说明介绍 Retiga E7 CMOS，以及优化的热控如何提供低暗电流，从而开启 CMOS 成像的全新世界。

What Is Dark Current?

光和热都会在传感器中产生信号。相机传感器曝光时，来自光源的光子和来自电子设备或环境的热量都会导致像素中电荷积聚。不幸的是，来自热的电荷无法与相机传感器上由光产生的光电子区分。由于传感器无法区分热电子和光电子，热贡献一种无法与光信号分离的背景信号。光子信号和热信号的数学特性相同。正如光强度具有散粒噪声，热信号具有暗电流噪声。暗电流的平均值可从图像中减去，但暗电流噪声仍然存在。

暗电流通常以每像素每秒电子数（e-/p/s）测量。最后一个指标最重要：曝光时间越短，暗电流越低。对于高灵敏度和高速 Scientific CMOS 相机，长曝光时间往往不如必要，因为曝光时间通常小于 100 毫秒。这些短曝光导致可忽略的暗电流积聚。但如果实验需要长曝光时间（数秒至数分钟），当前 CMOS 相机的暗电流将成为背景和噪声的显著贡献者。

由于暗电流是与光水平无关的热效应，可通过冷却降低。传感器冷却 6-7°C，暗电流效应约减半。这就是科学相机通常被冷却的原因。较低的工作温度降低暗电流，产生更高的信噪比，这是获得高质量结果的关键。

CCDs for Long Exposure Imaging

CCD 天然具有极低的暗电流，使其适合需要长曝光时间的实验。Teledyne Photometrics 的 Retiga LUMO CCD 将这一特性发挥到极致，优化用于超过一小时的曝光，适合发光成像。

然而，CCD 技术存在诸多缺点，如高读出噪声、低最大速度、时钟时序复杂性以及较小传感器尺寸。CCD 传感器像素较小的满阱容量还可能导致饱和、光晕和拖尾，当处理强信号或长曝光时。

生命科学定量研究的许多领域已采用 CMOS 相机技术，其具有更高速度、更大视场和更低读出噪声。

但 CMOS 技术的所有优势都以显著更高的暗电流为代价。Retiga LUMO CCD 的暗电流为 0.0001 e-/p/s，而 Prime 95B CMOS 的暗电流为 0.55 e-/p/s（风冷）。CMOS 的读出噪声显著低于 CCD（1.6 e- 对比 4.5 e-），但暗电流高出数个数量级，在超过 2-3 秒的曝光成像时导致显著的暗电流噪声积聚。这使得 CCD 与 CMOS 在较长曝光下的总噪声贡献不同，如图 2 所示。

所需的是具有先进热控的 CMOS 传感器，这将降低暗电流并允许 CMOS 长曝光成像，带来 CMOS 的所有额外优势。

Figure 1: The Retiga LUMO CCD, designed for long exposure imaging (Teledyne Photometrics) < — 图 1 · Retiga LUMO CCD，专为长曝光成像设计（Teledyne Photometrics）

Figure 2: Total signal vs noise for typical CMOS and typical CCD, at 1 second and 10 second exposure — 图 2 · 典型 CMOS 与典型 CCD 在 1 秒和 10 秒曝光下的总信号与噪声。

The Retiga E7 CMOS

全新的 Retiga E7 CMOS 正是这样一台相机，具有 0.02 e-/p/s 的超低暗电流，允许长曝光下高信噪比成像，最长可达 20 分钟及更久！

Retiga E7 在热控及长曝光图像质量方面有三个主要优势领域：机械、电子和固件。结合我们在这些领域的行业领先专业知识，产生了一台可与 CCD 竞争长曝光成像的 CMOS。

Figure 3: Our new Retiga E7 CMOS camera, designed for long exposure imaging — 图 1 · 我们全新的 Retiga E7 CMOS 相机，专为长曝光成像设计

Mechanical Heat Handling

如我们在 Citadel Chamber Design 技术说明中进一步解释的，相机内部组件的机械设计对于有效且均匀地冷却相机传感器至关重要。不均匀的传感器冷却导致热点和图像伪影。许多因素促成 Teledyne Photometrics 相机中发现的均匀传感器冷却和腔室稳定性。

我们的 Citadel chamber technology 是 40 年设计和实施传感器冷却经验的成果。Mean Time Before Failure（MTBF）大于 10 年展示了我们的经验成果。这一经验已应用于优化 Retiga E7 内的热控。由此产生的均匀低传感器温度和由此产生的低暗电流为 Scientific CMOS 相机带来长曝光成像。

Figure 4: Citadel Chamber Technology. The left image shows typical temperature levels within a CMOS — 图 1 · Citadel Chamber Technology。左图显示采用 Citadel chamber design 原则的 CMOS 内典型温度水平。传感器被绝对且均匀地冷却，与窗口距离最优，热量被有效排出。

Electronics

CMOS 传感器上的读出电子学是曝光期间热量的主要来源，意味着传感器的电子设计对最终暗电流有很大影响。

我们对 Retiga E7 CMOS 的目标是最小化相机电子设备产生的热量，并减少在关键曝光阶段热噪声的产生。CMOS 传感器边缘读出电子学的位置往往导致沿传感器边缘的热量积聚和某些边缘可见的发光。随着曝光时间越来越长，这种发光可能向传感器中心扩散。通过最小化这些边缘热点电子系统中的热量产生，整体热产生可被降低。传感器边缘热量产生的示例如图 5 所示。

此外，存在外部电子噪声来源。设计不良的科学相机中，相机电源的电子噪声可能到达传感器，为测量增加显著不确定性并降低图像质量。电源电压波动/纹波与潜在传感器噪声之间存在关系，但 Teledyne Photometrics 凭借在此领域的丰富经验已在 CMOS 中消除此问题。

Figure 5: Thermal build-up at the edges of a CMOS sensor. This noise will spread across the camera f — 图 1 · CMOS 传感器边缘的热积聚。这种噪声将在更长曝光下扩散至整个相机并影响图像质量。

Firmware

在精心的机械设计和高度优化的电子设计之间，大部分热产生和暗电流可被解决。为进一步优化长曝光，我们还实施固件解决方案。

在 Teledyne Photometrics，我们对每台相机进行测量以了解各台相机的热特性。通过表征其热行为，我们随后在相机上存储校准数据。这导致噪声降低以及平坦、干净的偏置，对使用该相机拍摄的每幅图像质量至关重要。

即使热设计良好，由于 CMOS 读出电子学位于边缘，热梯度仍然存在。这通过 Dynamic Dark Frame Correction 技术对每台相机进行校正，基于读出位置测得的热累积。

另一固件解决方案是 despeckling，基于各台校准数据校正像素间热变化。这些热像素降低整体图像质量并造成显著伪影，在 Teledyne Photometrics 我们在不影响图像质量的情况下校正这些热点。

不同固件校准的组合与原始图像相比带来显著的图像质量改进，如图 6 与图 5 原始图像的对比所示。

Figure 6: A Retiga E7 CMOS bias with a 480 second exposure. Glow reduction and dynamic dark frame co — 图 1 · Retiga E7 CMOS 偏置，480 秒曝光。应用了 glow reduction 和 dynamic dark frame corrections，产生平坦、干净的偏置和良好的图像质量。

总结

最终结果是 Retiga E7 CMOS 的总噪声贡献非常低。CMOS 传感器架构固有的低读出噪声与我们机械、电子和固件优化产生的低暗电流相结合，导致整体总噪声低。Retiga E7 是首台能够进行与 CCD 相当长曝光的 CMOS，但具有 CMOS 相机固有的大视场和速度。

所有 CMOS 的优势，加上大幅降低的暗电流。Retiga E7 适用于长曝光实验以及需要灵活性的更具挑战性记录案例。

Figure 7: Total signal vs noise for typical CMOS, typical CCD, and the new Retiga E7 CMOS , at 10 se — 图 1 · 典型 CMOS、典型 CCD 和全新 Retiga E7 CMOS 在 10 秒和 500 秒曝光下的总信号与噪声。Retiga E7 的总噪声贡献是两种技术中最好的。

概述

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