冷却sCMOS传感器的重要吗

的超低值~ 1个电子均方根噪声可以从今天的阅读sCMOS相机完全是前所未有的,甚至大大优于最好的CCD相机。读噪声噪声地板检测极限是一个重要的贡献者的摄像头,但热噪声组件(darkcurrent)也是非常重要的。基于CMOS摄像头,甚至温和的曝光会导致大量的darkcurrent噪音,影响成像质量。这使它重要的考虑暗电流以及阅读关于噪音最小化的总体噪声地板相机。

虽然传感器的设计和生产将决定相机的暗电流基面,我们能抑制暗电流的方法之一是通过冷却传感器。和或因此sCMOS相机设计的尽可能低的暗电流通过使用有效的传感器冷却。事实上,和或Sona和MaranasCMOS相机是唯一商用CMOS摄像机与永久的真空技术。这允许最深层次的热电制冷(分别为-40°C和-45°C),从而最小化暗噪声的不利影响。

图1 -块sCMOS噪声地板(噪声和暗噪声结合正交)和曝光时间,在传感器冷却温度的+ 5°C测量从竞争对手的sCMOS相机与0°C和-30°C(分别从Zyla和Neo sCMOS衡量)。图所示在曝光时间的三个范围:0 - 2秒,0 - 10秒,0 - 600秒。

理论的噪声地板和曝光时间如图1所示的sCMOS传感器CIS2051在三个不同的冷却温度,+ 5°C, 0°C和-30°C。参数用于确定总体噪声地板是基于一个典型的电子阅读的基线噪音~ 1,结合测量的典型darkcurrent 2051 sCMOS CIS传感器在每个温度下,值0°C和-30°C和或Zyla分别和Neo sCMOS相机。darkcurrent值用于传感器+ 5°C已从数据表可以从另一个相机制造商。噪音是正交计算相结合,即使用“的平方和的平方根法”。

图2 -热噪声可以牺牲sCMOS这里展示的较低的检出限。低亮度图像记录在-30°C和Neo sCMOS竞争sCMOS @ + 5°C,显示相同的相对强度比例;2秒曝光时间;560 mhz读出速度。比较线强度资料也显示从单个行。

示例所示的曝光范围2秒,低噪声的地板上可以观察到明显牺牲了近x2 + 5°C的温度较高。相比之下,通过冷却到-30°C ~ 1电子噪声地板可以维护。如果曝光时间扩展到10秒,相关的噪声地板+ 5°C明显损害值大于6电子,即x6大于阅读噪声,而噪声值小于1.5电子维护与更深的冷却。

因为非常低的光测量,并不是每一个实验要求很短的曝光。有时候我们需要延长曝光500毫秒到1秒来捕获弱信号。为他人在化学发光检测,有时需要有风险敞口扩大到10分钟。在600秒,除非应用深度冷却,热噪声贡献地板会变得过分大,图中所示C作为达到电子> 45 + 5°C。控股的冷却温度为-30°C会导致噪音楼举行一个更温和的2.4电子在这个广泛的曝光时间。

图2显示了黑暗的图片2秒曝光,用Neo sCMOS与竞争对手的sCMOS相机(运行在相同的传感器类型+ 5°C。相同的相对强度比例(在绝对电子方面)是用于显示。高darkcurrent由于操作的不利影响sCMOS传感器温度升高时清楚地看到。深冷却因此可以看到扩展的可用的曝光范围sCMOS CIS2051等传感器和其他受欢迎的传感器如CIS2020 (Zyla 4.2 +)和GS2020BSI (Sona-6和Marana-6)。然而,即使有很深的冷却,建议长时间曝光应用在许多分钟深冷却CCD相机iKon-M CCD等提供最好的信噪比,较慢的速度并不是一个因素。

有什么影响冷却一个sCMOS传感器在炎热的像素瑕疵吗?

CMOS传感器尤其容易受到所谓“热像素”瑕疵。这些伪噪声像素darkcurrent大大高于平均像素。他们可以很容易地观察到,不利于图像,可以看到例如像明亮的矛通过原本完美的三维共焦图像。

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

表1——典型的热像素(即高于平均水平darkcurrent像素)2051 sCMOS 5.5像素的传感器显示darkcurrent大于2 e - /影片/秒的冷却温度+ 5°C和-30°C。

值得庆幸的是,我们可以用深传感器可以极大地减少人口的TE冷却的热传感器内的像素,这意味着这些像素用于定量成像。表1显示了典型的像素数量高于darkcurrent可以极大地限制在实践中通过传感器的冷却,这意味着他们不需要被插值过滤器。这里所示的示例中,深度冷却减少了这些像素要求插值或其他修正的方法减少<像素人口总数的0.03%。类似的概要文件是GS2020BSI传感器观测到。我们真的想避免使用插值过滤器和影响图像数据的完整性作为一般原则。事实上这种插值用于像素瑕疵可以有害在某些应用程序中,取决于总定量完整性在一组有限的像素,例如在基于定位的超分辨率显微技术(如棕榈和风暴)。某些瑕疵可能也不能纠正如果集群出现彼此相邻。

图3(一)——瑕疵在不同的温度下1秒曝光。

图3(一个)显示了一个3 d强度图的同一地区sCMOS CIS2051传感器在不同的冷却温度,每个记录只有1秒曝光时间在滚动快门模式。很明显,冷却到-30°C和超越是高度有效地降低热像素峰值的出现,从而提供一个美学更清洁的形象和更大比例的可用的和有意义的像素。这反过来意味着显著减少像素需要被使用最近邻值置换算法。即使使用很短的曝光条件30毫秒,仍然有相当数量的热像素出席更高的冷却温度,如图3所示(b)。

图3 (b) -瑕疵在-30°C和C + 5°30 ms曝光

我们如何有效的冷却,同时避免振动结合起来?

在上面的部分中我们看到,中度和深度冷却可以有效地减少总体噪声地板和获得尽可能低的检出限。冷却也会降低热及其他非均匀像素的数量,否则需要修正或添入的过滤器。另一个考虑是一些光学配置从相机风机振动敏感,如膜片钳,结合光学/ AFM组建或超分辨率或其他快速成像在高的放大。

和或相机有几个特性允许深度冷却的好处,和减少/消除振动。

Zyla系列

的Zyla 4.2 +, Zyla 5.5的新模型功能较低振动风扇帮助最小化fan-induced振动。水冷式版本的Zyla也可以专门为振动临界实验。

Neo 5.5(注意停止)

的Neo 5.5可以设置空气冷却或液体冷却。连续风冷2之间的风扇速度可以调整速度。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。液体冷却还可以用来消除fan-induced振动。

液体冷却的振动通过相机允许最小化同时仍然稳定在-40°C。或者,如果需要完整的无振动操作没有水降温,Neo风扇可以关闭在有限的一段时间,在此期间,相机是被动地冷却。表2显示了典型的fan-off时应用的持续时间Neo相机+ 25°C周围环境中操作。

传感器读出速度	选择传感器的温度	持续时间在风扇强制
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——的例子fan-off持续时间可实现的一系列冷却温度和读出速度在周围环境中操作时Neo sCMOS 25°C。

Sona Marana系列

与Neo 5.5,舒鼾和Marana黑色背景sCMOS相机可以配置在空气中冷却或液体冷却格式。空气冷却下,2个风扇速度和开关风扇了短时间内是可能的。根据成像参数可以运行Sona和Marana相机与开关风扇前几分钟。这提供了一个方便的替代水冷消除振动——提供可用的实验是短时间和传感器后续图像之前返回到设定温度。液体冷却提供了最有效的冷却和消除振动。