速度与信噪比兼得，sCMOS科研相机的未来已来

2010年，科研相机从CCD进入到了sCMOS时代，带来了革命性的变化。而随着时间推进，行业逐渐发现，“如何同时拥有高速和高信噪比”成为了sCMOS科研相机再启下一个新纪元的关键。十年间，各方技术持续改进，却也始终难逃“厚此薄彼”的选择。站在2020年，滨松想说，这个问题，是时候该解决了…

谈到相机，帧速和成像质量是两个绕不过去的概念。帧速比较好理解——每秒能拍多少张图像；而成像质量其实比较笼统，分辨率能影响，信噪比能影响，后期算法也能影响。

在科研相机中，后期算法其实很敏感，且不说一台用算法做过“涂抹”的相机显然是违背科学研究需要的；一些科研本身就是在做算法，当然不希望买来的相机自带“商业机密”。

所以，对于科研相机，分辨率和信噪比就成为了图像质量的关键。

然而，分辨率、信噪比和帧速却是类似“鱼与熊掌”的关系。其核心的矛盾在于，读出速度越快，读出噪声就越高：

可以用一个简单的例子来进行说明：

在帧速一致的情况下，一台相机的像素数目越多，每张图片的分辨率越能得到保证；然而与此同时，相机对像素数据的读出速度（ = 像素数目 × 帧速）也会上升；继而读出噪音也会同步上涨，最终使得信噪比成为一个问题。

总结下来就是：对于科研相机而言，速度快，噪声就会高，从而图像的信噪比也就难以保障。

在这样的背景下，科研相机的读出速度和信噪比，要如何才能兼得呢？

2010年前，CCD是改变科研领域的技术，“CCD”成为“科研相机”的代名词。2010年后， sCMOS（scientific CMOS）开始了对CCD的替代革命。其本身也在不停迭代发展，并逐渐成为科研成像领域绝对主流。sCMOS最优秀的地方，就是相比CCD，可以在极大提高读出速度的同时，更好地抑制了读出噪声。

不过，与奥林匹克运动会的“更高、更快、更强”相类似，科研工作者对于相机的要求也是“更高、速更灵敏”。如前所述，速度增加并不难，如何解决速度和信噪比的矛盾才是关键。

目前，主要有两个思路：

1、努力压榨

将读出噪声进一步压低。比如滨松ORCA-Fusion，在读出速度不变，像素数目甚至小有上升的前提下，将420MHz高速下的读出噪声从ORCA-Flash 4.0的1.6e rms压制到了1.4e rms，最小的读出噪声从ORCA-Flash 4.0的1.4e rms下降到了0.7e rms。

2、采用背照技术

直接提升量子效率（QE），通过改善信号来提升信噪比。沿着这条思路，市场上也出现了一批背照sCMOS相机，将QE从80%左右提升到了95%。但当前市场上的背照式芯片在噪声控制上却不够完美，为了保障低噪声，这一批背照相机的读出速度普遍比以ORCA-Flash 4.0为代表的前照式sCMOS低了不少。

于是我们又看到了一个新的矛盾——各相机制造商或是努力压低读出噪声、或是专注提升量子效率。但背照技术和更低的读出噪声似乎未能兼容。

就在sCMOS科研相机发展的十年之际，滨松将为以上问题，提供一个完美的解决方案：

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