扩展动态范围

简介

Retiga E7 CMOS相机具有三种不同的读取模式：速度模式、长曝光模式和全新的扩展动态范围(EDR)模式。速度模式是经典的CMOS模式，可在高速下对整个传感器进行成像，而长曝光模式和EDR模式则具有0.001 e的超低暗电流-/p/s，并允许长达一小时的曝光，使CMOS进入了此前仅由CCD相机占据的长曝光领域。

然而，当相机曝光时间如此之长时，信号强度可能会变得非常大，需要高动态范围才能同时显示强信号和弱信号。在使用长曝光模式时，用户可以在两种增益状态之间进行选择：一种针对大满阱容量进行了优化(增益1，称为Full Well)，另一种针对更低的读取噪声和更高的灵敏度进行了优化(增益2，称为Sensitivity)。但是，如果有一种模式既能进行长曝光，又能结合两种增益状态的优势呢?这就是EDR模式的设计初衷，它兼具了两者的优点。

动态范围

动态范围是指相机定量检测图像中极暗和极亮部分的能力。对于Retiga E7 CMOS相机，其动态范围的上界受限于像素满阱容量(约23,000个电子)，下界受限于底层读出噪声(约2个电子)，后者可能会掩盖较弱的信号。动态范围可以通过将满阱容量除以读出噪声来计算;该值代表了检测到的信号所能划分的最大灰度级数。

通过增加动态范围(通常通过更大的满阱容量或更低的读出噪声)，相机能够检测到样本中更细微的变化，尤其是在同时存在强信号和弱信号的情况下。在EDR模式下，我们可以将动态范围提高一倍以上，从而获得卓越的图像质量，推荐用于可能在单张图像中包含不同光强度的静态样本成像应用。

扩展动态范围模式

Retiga E7 CMOS相机提供两种标准的12位增益状态：灵敏度和满阱。灵敏度模式提供更低的读出噪声，允许对极微弱信号进行成像而不会被噪声淹没。然而，满阱模式增加了每个像素的满阱容量，从而允许更高的“截止”饱和点。

扩展动态范围模式结合了这两个12位增益状态，生成一张16位图像。这是通过获取两张连续图像(一张为灵敏度模式，一张为满阱模式)，并将它们从ADU值转换为光电子值(通过乘以各自的增益值)来实现的。然后，将每个像素与设定的阈值进行比较，以决定该特定像素应使用哪种存储的光电子值——灵敏度模式值还是满阱模式值。

每个像素——现在包含更理想的强度水平——重构出最终的EDR图像，捕捉样本中存在的更微弱和更强信号。生成EDR图像需要获取两张独立的图像，每张图像均采用用户设定的曝光时间t。因此，获取、处理和显示一张EDR图像将需要两倍的用户设定曝光时间(2t)。

满阱模式 vs 灵敏度模式 vs EDR

这里展示了Harta板的三张图像，其中包含亮度依次递增的光斑，因此是测试相机动态范围的理想选择，因为相机需要同时显示强信号和弱信号。我们获取了Harta板在满阱增益状态、灵敏度增益状态和EDR模式下的长曝光图像，获取的图像和强度图表显示在图1.

在全阱模式下，得益于较大的全阱容量，从Harta板上可以清晰检测到六个光斑，且不会出现像素饱和。然而，从强度图可以看出，第六个最暗光斑的信号被淹没在噪声中。当需要进行定量图像分析时，仅在图像上可见是不够的，分析更弱的信号需要更好的噪声特性。

在灵敏度模式下，虽然我们能获得较暗光斑的清晰增强信号，但饱和发生得相当早，导致我们丢失了两个最亮光斑的信息。虽然灵敏度模式通过降低读取噪声改善了弱光斑的性能，但较低的全阱容量意味着更强的信号会使像素饱和并使信号平坦化。

扩展动态范围模式通过结合“两全其美”的优势解决了这两个问题——即灵敏度模式捕捉微弱信号的能力与全阱模式的大容量全阱容量。其结果是生成一张16位图像，既不会过早截断最亮的信号，又能清晰呈现最暗的信号。

图1：比较Retiga E7 CMOS相机的三种成像模式的动态范围。左侧是信号逐渐增强的Harta板图像，右侧是每个斑点强度随之增加的强度图。

如何在MicroManager中启用EDR

既然我们已经展示了EDR模式在图1中的强大功能，现在我们可以向您展示如何在使用Retiga E7 CMOS相机进行成像时利用这一模式。

首先，打开MicroManager

然后前往设备和设备属性浏览器

在设备属性浏览器中，前往E7端口并将其设置为长曝光EDR

总结

Retiga E7 CMOS 相机新增了扩展动态范围(EDR)模式。该模式允许用户获取长曝光图像，并通过使用两种不同的12位增益状态拍摄图像并生成组合的16位EDR图像，从而充分利用低读出噪声和高满阱容量的优势。当处理同时具有强信号和弱信号的样本时，EDR模式是理想之选，即使是对于要求最苛刻的样本，也能实现更精确的定量图像分析。