qCMOS vs. EM-CCD：光子计数时代的成像技术选型指南

长期以来，科学成像领域的选型规则相对固定：极弱光实验首选EM-CCD，光子充足的环境则交给sCMOS。但这一规则正在被打破。

随着CMOS工艺在噪声抑制上的突破，搭载qCMOS(定量CMOS) 传感器的相机既保留了sCMOS的高速与大视野优势，又将读出噪声压低至光子计数水平，开始向EM-CCD的传统领地延伸。本文将从传感器底层技术出发，对比两款相机在光子探测、信噪比表现及应用场景上的差异，帮助您基于实验需求做出更合理的判断。

一、从光子到数字：两种截然不同的探测路径

要理解两款相机的差异，首先需要梳理相机将光子转化为数字信号的全流程。

图1 从信号采集到数字输出的流程

入射到传感器的光子以一定量子效率转换为光电子，随后被放大、读取并经由模数转换器(ADC)输出为数字值。在这一链条中，读出噪声是决定弱光探测能力的核心瓶颈，尤其当信号微弱至单光子量级时，读出噪声的大小直接决定了信号是否能被有效识别。

qCMOS的解决方案依托于精细化的CMOS电路设计，将读出噪声压至远低于单光电子信号的水平。这使得相机能够清晰分辨1、2、3……个光电子对应的输出幅度，实现真正意义上的光子数分辨(Photon Number Resolving)，这是定量成像的基石。

图2 qCMOS相机中的读出过程和光子分辨

而EM-CCD则走了另一条路径。其原始读出噪声较高，但通过内置的电子倍增结构，在信号被读出前对光电子进行雪崩式放大，使放大后的信号远高于读出噪声，从而探测到单个光子事件。

图3 EM-CCD中的读出过程和光子分辨(只能分辨0光子和有光子，无法分辨1/2/3/具体有几个光子)

但倍增过程会引入固有的过剩噪声(Excess Noise)——即信号幅度的随机波动。这使得即便信号被成功放大，也无法从输出值反推原始光电子数目。因此，EM-CCD虽能实现单光子探测，却牺牲了定量准确性。

表1 总结了本段中提到的qCMOS和EM-CCD相机的特性比较

在实际动态成像中，这种差异更为直观：qCMOS 由于无需倍增，逐帧之间的信号波动远小于EM-CCD，在需要追踪信号强度变化的实验中，定量稳定性显著更优。

二、信噪比(SNR)的比较

信噪比是评估相机探测能力的核心指标。但在对比不同像素尺寸的相机时，比较条件的设置会直接影响结论。本文从两种常见实验场景出发，采用“相对信噪比(rSNR)”进行归一化对比(基准为理想无噪声、100%量子效率、6.5 μm像素的“完美机”)。

图4 信噪比公式

场景一：单像素接收相同光强

该场景假设每台相机都搭配了针对其像素尺寸优化的光学系统。在此条件下：

对于CMOS系列相机(含qCMOS)，读出噪声恒定，因此随着光强降低，SNR下降明显。

对于EM-CCD，电子倍增大幅削弱了读出噪声的影响，在极弱光下SNR下降趋缓;但倍增波动在亮光下成为主要噪声源，导致其高光强区SNR反而不及CMOS。

传统选型规则正源于此：弱光用EM-CCD，亮光用sCMOS。但值得关注的是，随qCMOS读出噪声的大幅降低，在0.1光子/像素/帧的极弱光条件下，其SNR已可比肩 EM-CCD。结论：在单像素等光强条件下，qCMOS已能覆盖传统EM-CCD的弱光阵地，且在中高光强区表现更优。

图5 每个像素的光强相等条件下的信噪比对比

场景二：单位传感器面积接收相同光强

该场景更贴近“固定光学系统、仅更换相机”的实际操作。由于qCMOS像素尺寸普遍小于EM-CCD，单像素接收光子更少，因此图中补充了启用像素合并(Binning)后的 qCMOS 数据，使其有效像素尺寸与EM-CCD相当。

需要特别指出：受CMOS读出架构限制，N×N合并后等效读出噪声会变为单像素的N倍。因此，若希望用qCMOS替代EM-CCD，更优策略是保持原生像素尺寸并重新匹配光学系统，而非依赖像素合并来强行对标。结论：固定光学系统下直接替换，qCMOS的单像素光通量劣势可通过重新设计光路来弥补，不建议以牺牲噪声为代价启用像素合并。

图6 单位面积光强相等条件下的信噪比对比

表2 两种对比条件的适用场景总结如下

三、qCMOS的多场景适配特征

过去在极弱光成像的系统设计中，往往需要在多项指标间做取舍：追求光子计数精度，则需接受低速与动态范围压缩;扩大面阵规模，则不得不容忍更高的系统本底噪声。qCMOS在以下维度统一了这一矛盾：

慢帧率定量成像：慢帧率定量成像光子数分辨能力，适配单分子等对定量误差极度敏感的场景

高帧率弱光兼顾：无需电子倍增，原生帧率显著高于EM-CCD;

宽动态范围保全：无电子倍增环节，满阱容量不受增益压缩，亮暗共存样本的灰阶过渡更完整;

大面阵宽场成像：ORCA-Quest的像素规模显著高于传统EM-CCD，可降低大视野扫描的拼图成本;

暗电流控制：在同级CMOS平台中处于较优水平，可覆盖多数常规长曝光实验需求。

四、EM-CCD当前的适用边界

在极窄的参数区间内，EM-CCD目前仍具工程合理性。

仿真数据显示，当入射光强降至0.1光子/像素/帧时，EM-CCD的理论信噪比曲线略高于qCMOS。但将该数值代入实际成像仿真后会发现：此照度下样品的结构信息已基本被噪声基底淹没，两台设备均无法输出具备解析价值的图像。

图7 不同光强下的仿真成像对比，展示0.1光子/帧时两者实际探测能力的局限

另一个易被忽略的因素是倍增的无差别特性：理想暗场中EM-CCD画面洁净;一旦样本存在自发荧光或环境背景光，背景信号同样被同步放大，暗区颗粒度反而会显著抬升。

目前仍建议保留EM-CCD方案的场景相对明确：照度低于0.1光子/帧，且依赖数十秒级以上的极长曝光做信号累积。依托深度制冷，EM-CCD在极限长曝下的暗电流控制目前仍具余量。

总结

qCMOS相机融合了sCMOS的高速与大视野，以及逼近甚至超越EM-CCD的弱光探测能力，在保持定量精度的前提下，为科学成像提供了一款更具通用性的解决方案。

CMOS技术仍在快速演进，qCMOS的性能边界也将持续拓宽。我们希望通过本文的技术对比，帮助您在光子计数探测器的选型中建立更系统的评估框架，从而找到最契合自身实验需求的那一台相机。