长曝光成像的热控制

图1：Retiga LUMO CCD，专为长曝光成像设计(Teledyne Photometrics)

引言

CCD是相机中成熟的科学传感器。CCD传感器的一大优势是极低的暗电流，这使得长曝光成像成为可能。相比之下，CMOS传感器的暗电流比CCD高出100到1000倍。但如果CMOS相机传感器也能凭借新的热控制技术实现长曝光成像呢?与CCD相比，CMOS传感器通常具有更快的速度、更大的传感器尺寸，并且在长期支持下不断改进。

本技术说明介绍了Retiga E7 CMOS，以及优化的热控制如何提供低暗电流，从而为CMOS成像开启一个全新的世界。

什么是暗电流?

光和热都会在传感器中产生信号。当相机传感器曝光时，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，热量产生的电荷无法与相机传感器上由光产生的光电子区分开来。由于传感器无法区分热电子和光电子，热量会产生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是完全相同的。正如光强具有散粒噪声一样，热信号也具有暗电流噪声。虽然可以从图像中减去暗电流的平均值，但暗电流噪声依然存在。

暗电流通常以每像素每秒电子数(e-/p/s)来衡量。最后一个指标最为重要，曝光时间越短，暗电流就越低。对于高灵敏度且快速的科学CMOS相机，长曝光时间并非必需，因为曝光时间通常不到100毫秒。这些短曝光产生的暗电流积累微乎其微。但如果实验需要长曝光时间(秒至分钟级)，当前CMOS相机的暗电流就会成为背景和噪声的重要来源。

由于暗电流是一种与光照水平无关的热效应，因此可以通过冷却来降低。对于相机传感器而言，每冷却6-7°C，暗电流的影响就会大约减半。这就是为什么科学相机通常需要冷却的原因。较低的工作温度能减少暗电流，从而提高信噪比，这是获得高质量结果的关键。

用于长曝光成像的CCD

CCD天生具有极低的暗电流，使其非常适合需要长曝光时间的实验。Teledyne Photometrics的Retiga将这一特性发挥到了极致LUMO CCD，它针对超过一小时的曝光进行了优化，非常适合发光成像。

然而，CCD技术存在诸多缺点，如读出噪声高、最大速度低、时钟定时复杂以及传感器尺寸较小。此外，CCD传感器像素较小的满阱容量在处理强信号或长曝光时，还可能导致饱和、溢光和拖尾现象。

生命科学领域的许多定量研究已采用CMOS相机技术，该技术具有更高的速度、更大的视野和更低的读出噪声。

但CMOS技术的优势是以暗电流显著升高为代价的。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(采用风冷)。与CCD相比，CMOS的读出噪声显著更低(1.6 e-与4.5 e相比-)，但其暗电流高出几个数量级，在曝光时间超过2-3秒时会导致显著的暗电流噪声积累。这使得CCD与CMOS在长曝光下的总噪声贡献有所不同，如图2所示.

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比。需要的是具有先进热控制功能的CMOS传感器，这将降低暗电流，并允许使用CMOS进行长曝光成像，同时带来所有额外的优势。

Retiga E7 CMOS

全新Retiga E7 CMOS就是这样一款相机，拥有0.02 e的超低暗电流-/p/s，可在长达20分钟及以上的长曝光下实现高信噪比成像!

在以下三个主要领域，Retiga E7在热控制及长曝光图像质量方面表现卓越：机械, 电气，以及固件。结合我们在这些领域的行业领先专业知识，我们开发出了在长曝光成像方面可与CCD竞争的CMOS。

图3：我们专为长曝光成像设计的新型Retiga E7 CMOS相机

机械热处理

正如我们在Citadel腔体设计技术说明中进一步阐述的那样，相机内部组件的机械设计对于相机传感器的有效均匀冷却至关重要。传感器冷却不均会导致热点和图像伪影。许多因素共同促成了Teledyne Photometrics相机所具备的均匀传感器冷却和腔体稳定性。

我们的Citadel腔体技术是40年传感器冷却设计与实施经验的结晶。超过10年的平均故障间隔时间(MTBF)证明了我们经验的成果。这些经验已应用于优化Retiga E7内的热控制。由此产生的均匀低传感器温度和低暗电流，为科学CMOS相机带来了长曝光成像能力。

图4：Citadel腔体技术。左图显示了采用Citadel腔体设计原理的CMOS内部典型温度水平。传感器被绝对均匀地冷却，与窗口保持最佳距离，热量被有效排出。

电子设备

CMOS传感器上的“读出”电路是曝光过程中的主要热源，这意味着传感器的电子设计对最终的暗电流有很大影响。

我们的目标是Retiga E7 CMOS目的是最大限度地减少相机电子设备产生的热量，并减少在关键曝光阶段产生热噪声。读出电子设备沿CMOS传感器边缘的布局往往会导致传感器边缘热量积聚，并在某些边缘产生可见的“光晕”。随着曝光时间越来越长，这种光晕会向传感器中心扩散。通过减少这些边缘热点区域电子系统中的热量产生，可以降低整体的热量产生。传感器边缘热量产生的一个例子可见于图5.

图5：CMOS传感器边缘的热量积聚。这种噪声会扩散 在长曝光时会覆盖整个相机，并影响图像质量。

此外，还存在外部电子噪声源。如果科学相机的设计不佳，来自相机电源的电子噪声可能会传导至传感器，从而给测量结果增加显著的不确定性并降低图像质量。电源电压波动/纹波与潜在的传感器噪声之间存在关联，但得益于我们在该领域的丰富经验值，Teledyne Photometrics 已在 CMOS 产品中消除了这一问题。

固件

通过精密的机械设计和高度优化的电子设计，大部分热量产生和暗电流问题可以得到解决。为了进一步优化长曝光性能，我们还实施了固件解决方案。

在Teledyne Photometrics，我们会对每台相机进行测量，以了解该相机的热特性。通过表征其热行为，我们随后可以将校准数据存储在相机中。这有助于降低噪声，并获得平坦、干净的偏置，这对于相机拍摄的每张图像的质量都至关重要。

即使热设计做得很好，由于CMOS读出电子元件位于边缘位置，热梯度依然存在。%% 动态暗场校正%% '技术，该技术基于读出位置测得的热量累积来进行校正。Dynamic Dark Frame Correction' technology, based on the measured thermal accumulation at the site of readout.

另一种固件解决方案是'去噪点'，它根据单个校准数据修正像素间的热变化。这些'热像素'会降低整体图像质量并可能产生明显的伪影，在Teledyne Photometrics，我们在不影响图像质量的情况下修正这些热点。

这种不同固件校准的组合使得图像质量与原始图像相比有了显著提升，这一点从以下对比中可以看出：图6与来自图5的原始图像的对比。

图6：Retiga E7 CMOS偏置，曝光时间为480秒。辉光减少和 bias with a 480 second exposure. Glow reduction and 动态应用了暗场校正，从而获得了平坦、干净的偏置和良好的 图像质量。

此外，还存在外部电子噪声源。如果科学相机的设计不佳，来自相机电源的电子噪声可能会传导至传感器，从而给测量结果增加显著的不确定性并降低图像质量。电源电压波动/纹波与潜在的传感器噪声之间存在关联，但得益于我们在该领域的丰富经验值，Teledyne Photometrics 已在 CMOS 产品中消除了这一问题。

摘要

最终结果是，该设备的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通过机械、电子和固件优化实现的低暗电流相结合，使得整体总噪声保持在较低水平。这款Retiga E7是首款能够实现与CCD相机相当的长曝光，同时又具备CMOS相机固有的大视场和高速特性的CMOS相机。

图7：典型CMOS、典型CCD以及新型Retiga E7 CMOS的总信号与噪声，在 10秒和500秒的曝光。总噪声贡献为Retiga E7是最好的 两种技术的。

具备CMOS的所有优势，同时暗电流大幅降低。 Retiga E7非常适合长曝光实验，以及需要灵活性的更具挑战性的记录案例。