科研相機選擇：sCMOS還是CCD？

細胞生物學家需要這樣的顯微鏡：在低光條件下以高解析度和靈敏度探測細胞中的快速運動。開發者不僅要解決性能要求，還要考慮價格因素，以及處理動態成像實驗所產生的大量數據的能力。

儘管電荷耦合器件（CCD）相機長期以來都是成像的「黃金標準」，但是科研級互補金屬氧化物半導體（sCMOS）也在獲得越來越多的應用。早期CMOS器件有圖像質量問題，但是感測器設計的不斷改進已經大大消除了這些缺點。

先進的sCMOS技術比當前CCD相機速度更快，因此能夠更好地捕捉快速細胞事件。增強的靈敏度讓這些相機能夠以短曝光時間探測到低光信號，而更高的解析度能夠在整個大視場獲得更清晰的細胞微結構圖像。

如今，研究人員面對的問題是如何選擇最佳的成像方案。本文將分析CCD和sCMOS技術之間的差異。

CCD vs sCMOS

CCD和sCMOS感測器（如圖1）完成相似的基本功能：收集光並轉化成電信號。這兩種技術的相對優劣是因為讀取累積在給定像素上的信號的方式不同。

CCD相機經常使用全局快門，在某個精確時刻曝光和捕捉圖像中的每個像素。為了以數字形式整合那個信息，所有像素都通過單個輸出節點按順序流向模數轉化器（ADC），這個過程叫做數字化。然後，這個數據發送到計算機中顯示和存儲。

因為每個像素同時曝光，所以在每一幀圖像都發生顯著變化時全局快門特別有利。但是，CCD幀率受限於單個像素轉移和數字化的速率：需要傳輸的像素越多，相機的總幀率越慢。這種設計產生了ADC瓶頸。數百萬像素處在單個隊列中等待轉換。在下一次曝光前，必須處理完一幀圖像中的每個像素。CCD相機能夠在中長曝光時間的研究中捕捉可靠的靜態和延時圖像。但是，隨之而產生的電荷轉移延遲會降低相機的幀率。

如果顯微鏡只用於較長曝光的分析，比如慢速細胞遷移和西方墨點法，幀率慢不是問題。但是幀率關係到能否研究快速運動的細胞現象，包括囊泡形成、蛋白質轉運和鈣信號傳播。為了捕捉這些細胞內事件，細胞生物學家需要100幀/秒或更快的幀率。用CCD顯微技術或許能看到細微的細胞結構並測量電化學信號，但是會丟失方向和速度的數據。幀率太慢還會出現運動模糊和時間混擾等假象。

這個問題的解決辦法之一是sCMOS晶元，它在每個像素列末端都放置一個ADC。這種設計使轉換隊列倍增，大量像素時有數千倍。使用sCMOS能快速產生每幀的數字信息。需要注意的是，一行ADC一次只能數字化一行像素。

sCMOS相機採用滾動快門設計，在曝光完成時能避免因等待數字化所有像素行而拖拉幀率。它不用等待全幀完成讀出，而是先完成數字化的像素行直接進行下一幀的曝光，同時讓圖像感測器進行後續行信號的數字化。相機能夠隨時間從上向下平移過圖像。相鄰行間根據感測器讀出的順序設置短時延遲。

滾動快門的優勢是多幀可以重疊而且幀率增高。sCMOS感測器能提供比高端行間CCD相機快10倍的幀率。缺點是行間極小的時間差可能使數據產生偏差。

有些sCMOS相機提供定製觸發模式，能夠以滾動快門獲得全局曝光，最大化地提高sCMOS的性能。這種觸發模式允許快速開關高速光源，只有當所有sCMOS全幀圖像中的所有行都同時曝光時，光源是脈衝的，因此得到全局曝光的效果。同時，相機保持在滾動快門模式進行電荷數字化，以此維持高速幀率和低讀出雜訊。

sCMOS在生物研究的優勢

低光圖像質量

sCMOS相機技術最明顯和直接的優勢是提高了低光圖像質量。sCMOS感測器具有低讀出雜訊和較大的面積，能夠提供低雜訊、大視場（FOV）圖像，讓研究人員輕鬆掃描整個樣品並捕獲高質量圖像。比如，optiMOS sCMOS感測器比傳統CCD的FOV要大45%（見圖2）。

信噪比

「量子效率「（QE）是光子產生電子的平均概率，用轉換百分數表示，用於描述相機的光靈敏度，QE越高能夠產生越清晰的圖像。很多CCD相機都有不錯的量子QE規格，但是它們的讀出雜訊的差異很大。

因為很多細胞標記都發射低強度光信號，如果相機的讀出雜訊高，那麼捕捉微弱信號時SNR也低，因此圖像質量也差。從設計上講，sCMOS相機高速時也具有低水平電子讀出雜訊，一般是高度行間CCD相機的三分之一。

熒光成像

sCMOS和CCD相機都能很好地服務具有較長曝光的熒光應用，比如固定細胞的免疫熒光。但是活體細胞的熒光應用則對光非常靈敏。高靈敏度既要求最小化光漂白和毒性，還要儘可能多地採集時間信息。其目標是：以足夠的SNR採集圖像，同時降低激發光強度並使用最短的曝光時間。所以，活體細胞成像科學家越來越親睞sCMOS儀器。因為，高SNR能應對好短曝光時間而且傳達高圖像質量。

實驗應用

Bart Guerten是德國哥廷根大學細胞神經生物部門的一名博士後，他的實驗要求快速而靈敏的細胞成像，即觀察果蠅幼蟲與機械感知相關的基因活動。這種研究有助於確定候選基因在機械感知發展、功能和疾病的作用。

為了篩選機械感知缺陷，團隊必須以高時間和空間解析度對果蠅幼蟲肌肉中的綠色熒光蛋白（GFP）進行成像。因為這個過程需要在快速肌肉受壓中以突變細胞線篩選缺陷，他們需要的成像技術必須簡單易用而且能夠高速採集圖像。

傳統CCD相機這時就太慢無法在幼蟲的突變細胞線中探測到肌肉受壓缺陷。所以成像方案要求高幀率，而且不能犧牲靈敏度和雜訊性能。

所以，科研團隊使用QImaging的optiMOS sCMOS相機，能夠篩選出突變的果蠅幼蟲，而且以高時間和空間解析度快速量化幼蟲單個部位的壓力。

sCMOS的長期潛力

研究者長期一直依賴具有量化性能和靈敏度的CCD相機進行科學成像。但是，這些設備使用範圍受到時間分辨要求的極大限制。CCD結構在高速成像中不能保持大空間解析度。但是，sCMOS感測器近年來取得了進展，同時具有高速幀率和低讀出雜訊，因此sCMOS相機是細胞生物學、生物物理和離子轉運生理實驗的理想選擇。

文章來源

How to Choose Between a CCD and sCMOS Scientific-Grade Camera