qCMOS vs EMCCD，科研相机迎来“光子定量”新纪元！

　　毋庸置疑，这是科研相机最重要的几项性能，它的发展主线，也始终紧紧围绕着“如何获得更快帧速、更高分辨率以及更优秀的信噪比”来展开。

　　另一方面，光信号究竟有多强?各个像素上究竟收集到了多少光子?相机测得究竟准不准?诸如此类的“定量”需求，也是科研相机应用中一直会被问到的。 今天，滨松全球同步发布的ORCA-Quest qCMOS相机，在以上两个问题中都交出了一份突破性的答卷。接下来，工程师将会“掰开了揉碎了”，为大家详解新型定量qCMOS相机的各个“知识点”。

　　鱼与熊掌可以兼得高帧速、高分辨率以及高信噪比 早期的CCD相机中，像素数目越多(分辨率越高)、帧速越快，相机电路每秒钟需要读出的像素就越多，也就越不容易准确。换句话说，相机的读出速度越快，噪声就越高，继而影响到图像的信噪比和图像质量。

　　针对这个问题，业界给出了两条解决的路子：

　　(1)EMCCD与电子倍增技术

　　当光子在芯片上转换为光电子之后，EMCCD利用电场将这些光电子加速，轰击材料产生更多电子，实现了信号的增益。由于电子倍增过程在数据读出之前，所以信号放大了但读出噪声维持原样——以此大幅提升了图像信噪比。

　　(2)CMOS与极低的读出噪声 sCMOS(包括接下来我们要说的新发布的qCMOS)相机，则走了另外一条技术路线。sCMOS/qCMOS相机直接压制读出噪声——相比之前的CCD相机，sCMOS/qCMOS的读出速度大幅上涨，但读出噪声因为设计工艺的改进却反而下降了。这也是sCMOS在过去十年大行其道的根本原因。 站在2021年的时间关口上，当比较以上两个技术路线的产品，我们发现，CMOS技术路线中的滨松新型ORCA-Quest qCMOS相机，在参数上已经完全超过了EMCCD相机。 按照像素读出计算，ORCA-Quest的读出速度已经高出了EMCCD 1-2个数量级;而在信噪比上，即使在1个光子/像素的信号强度下，qCMOS的表现也已优于EMCCD。

　　量变到质变低读出噪声与光子定量

　　得到今天这样碾压式的参数，源自于在CMOS势呈井喷的十年间，滨松一直关注更低的读出噪声。从最初Flash 4.0系列sCMOS相机1.4个电子的读出噪声，到Fusion系列sCMOS相机0.7个电子的读出噪声，直至ORCA-Quest qCMOS相机最低0.27个电子。

　　而当ORCA-Quest相机的读出噪声下降到0.27个电子时，量变终于产生了质变——实现了“光子定量”。

　　相机成像中，信号中的光子在像素中转化为电子被收集——称之为光电子。光子定量就是通过精确定量光电子的方式得到每个像素所收集到的光子数目。 在光子转换为光电子之后，光电子会在相机芯片中转化为电压/模拟信号。虽然会有一个转换系数存在(例如0.16mV/电子)，但是由于读出噪声的原因，当一个像素中有3个光电子时，读出的电压并不一定就是 3e x 0.16mV/e = 0.48mV，而是一个0.48mV左右的一个不确定的电压数值，可能是0.43mV，也可能是0.62mV。

　　粗略地说，读出噪声越大，这个不确定性就越大。这就意味着，如果读出噪声比较大，当相机芯片中读出0.48mV的时候，对应像素中的光电子可能是3个，也可能是2个，4个，甚至1个，5个。

　　但如果读出噪声足够小，就不会出现上述情况——当读出0.48mV的时候，我们就能确定对应像素上是3个光电子，而非其他。通过概率理论计算，当RMS读出噪声(Readout noise rms)为0.3e时，这个准确度达到90%以上。 滨松ORCA-Quest qCMOS相机的最低读出噪声为0.27e rms，所以我们在相机中加入了上述“光子定量”(Photon number resolving)功能。用户可以直接读出每个像素中精确的光电子数目，从而获得像素所收集的光子数目。

　　领跑背照的高分辨率独特的“沟槽结构”芯片技术

　　相机像素中，电子被硅等半导体材料转换为光电子之后，会被相应的电路收集;这些电路结构会阻挡光信号。为了消除这部分信号损失，背照技术中将这些电路结构放到了芯片的背后(如下图)。

　　在理想的情况下，每个像素中的光电子会被本像素的电路通过电场进行收集，但在背照芯片中，由于结构毕竟有一定的厚度，收集光电子的电场可能并不容易将本像素对应的光电子全部收集——一部分光电子会扩散到相邻像素中，造成相机分辨率的下降。这也是为什么一般而言，前照式相机的分辨率会优于对应参数的背照式相机。

　　在滨松ORCA-Quest qCMOS相机中，芯片采用了独特的“沟槽结构”(Trench structure)，阻挡了相应的光电子扩散，配合4.6μm的像素大小，940W像素，极大提升了相机的分辨率。

　　此外，EMCCD在近红外成像中存在干涉条纹的问题，而ORCA-Quest qCMOS相机通过特殊的背照芯片结构设计，也解决了这个问题，进一步保障了成像质量。