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    科研相机选择:sCMOS还是CCD?

    发布时间: 2022-05-22 浏览次数: 22

    细胞生物学家需要这样的显微镜来探测细胞在低分辨率和灵敏度下的快速运动。开发者不仅要解决性能要求,还要考虑价格因素和处理动态成像实验产生的大量数据的能力。

    尽管电荷耦合器件(CCD)相机长期以来一直是成像的黄金标准(sCMOS)越来越多的应用多的应用。CMOS该设备存在图像质量问题,但传感器设计的不断改进极大地消除了这些缺点。

    先进的sCMOS技术比当前CCD相机更快,可以更好地捕捉快速细胞事件。增强的灵敏度使这些相机能够在短曝光时间内探测到低光信号,而更高的分辨率可以在整个大视野中获得更清晰的细胞微结构图像。

    如今,研究人员面临的问题是如何选择较好的成像方案。本文将分析CCD和sCMOS技术差异。

    CCD vs sCMOS

    CCD和sCMOS传感器(如图1所示)完成类似的基本功能:收集光并转换为电信号。这两种技术的相对优缺点是读取给定像素上积累的信号的方式不同。

    图1:CCD(左)和CMOS(右)传感器结构简图

    CCD相机经常使用全球快门在某个精确的时刻曝光和捕捉图像中的每个像素。为了以数字形式整合信息,所有像素都通过单个输出节点流向模数转换器(ADC),这个过程被称为数字化。然后将数据发送到计算机中进行显示和存储。

    由于每个像素同时曝光,当每一帧图像都发生显著变化时,整体快门特别有利。CCD帧率仅限于单个像素的转移和数字化:需要传输的像素越多,相机的总帧率就越慢。这种设计产生了ADC瓶颈。数百万像素在单个队列中等待转换。每个像素必须在下一次曝光前处理。CCD在中长曝光时间的研究中,相机可以捕捉到可靠的静态和延迟图像。但由此产生的电荷转移延迟会降低相机的帧率。

    如果显微镜仅用于长曝光分析,如慢细胞迁移和西方墨点,则帧速率慢不是问题。然而,帧速率与能否研究快速运动的细胞现象有关,包括囊泡形成、蛋白质转移和钙信号传播。细胞生物学家需要100帧/秒或更快的帧速率来捕捉这些细胞事件。CCD显微技术可能会看到细胞结构并测量电化学信号,但会丢失方向和速度数据。帧率过慢也会导致运动模糊和时间混乱。

    解决这个问题的方法之一是sCMOS芯片放置在每个像素列的末端ADC。这种设计使转换队列倍增,大量像素数千倍。sCMOS每帧数字信息可以快速生成。需要注意的是,一行ADC一行像素只能数字化一次。

    sCMOS相机采用滚动快门设计,可避免因等待数字化所有像素线而拖动帧率。它不需要等待全帧读取,而是先完成数字像素线,直接曝光下一帧,同时让图像传感器数字化后续行信号。相机可以随时从上到下平移图像。相邻行间根据传感器读取的顺序设置短期延迟。

    滚动快门的优势是多帧可以重叠而且帧率增高。sCMOS传感器能提供比高端行间更CCD相机帧速率快10倍。缺点是行间的时差很小,可能会导致数据偏差。

    有些sCMOS相机提供定制的触发模式,可以通过滚动快门获得全球曝光,较大化sCMOS性能。这种触发模式允许快速开关高速光源sCMOS当全帧图像中的所有行同时曝光时,光源是脉冲的,从而获得全局曝光的效果。同时,相机保持在滚动快门模式下数字化电荷,以保持高速帧率和低读出噪声。

    sCMOS生物研究的优势

    低光图像质量

    sCMOS相机技术较明显、较直接的优点是提高了低光图像的质量。sCMOS传感器具有低读出噪声和大面积,可提供低噪声和大视场(FOV)图像使研究人员能够轻松扫描整个样品并捕获高质量的图像。optiMOS sCMOS传感器比传统好CCD的FOV大45%(见图2)。

    图2:QI ging optiMOS sCMOS相机和科研制冷CCD对照相机的图像和行轮廓进行比较。图像质量、信噪比、视场和帧率,sCMOS相机优于科研CCD相机。

    信噪比

    量子效率(QE)用转换百分数表示光子产生电子的平均概率,用于描述相机的光敏度,QE图像越高,图像就越清晰。CCD相机量子好QE但是它们的读出噪音差别很大。

    由于许多细胞标记发射低强度光信号,如果相机读取噪音高,则捕捉微弱信号SNR它也很低,所以图像质量也很差。在设计方面,sCMOS高速相机还具有低水平电子读取噪声,通常是高行间CCD三分之一的相机。

    荧光成像

    sCMOS和CCD相机可以很好地服务于长曝光荧光应用程序,如固定细胞的荧光。但活体细胞的荧光应用程序对光非常敏感。高灵敏度不仅需要较小化光漂白和毒性,还需要尽可能多地收集时间信息。其目标是:足够的SNR采集图像,降低激发光强度,使用较短曝光时间。因此,活细胞成像科学家越来越受到青睐sCMOS仪器。因为,高SNR能应对短曝光时间,传达高图像质量。

    实验应用

    Bart Guerten他是哥廷根大学细胞神经生物系的博士后。他的实验需要快速和敏感的细胞成像,即观察果蝇幼虫和机械感知相关的基因活动。这项研究有助于确定候选基因在机械感知发展、功能和疾病中的作用。

    为了筛选机械感知缺陷,团队必须对果蝇幼虫肌肉中的绿色荧光蛋白进行高时间和空间分辨率(GFP)进行成像。因为这个过程需要在快速肌肉受压中以突变细胞线筛选缺陷,他们需要的成像技术必须简单易用而且能够高速采集图像。

    传统CCD此时,相机太慢,无法在幼虫的突变细胞线中检测到肌肉压力缺陷。因此,成像方案需要高帧率,不能牺牲灵敏度和噪声性能。

    因此,使用科研团队QI ging的optiMOS sCMOS相机可以筛选出突变果蝇幼虫,并在高时间和空间分辨率下快速量化幼虫单个部位的压力。

    sCMOS的长期潜力

    长期以来,研究人员一直依赖于量化性能和灵敏度CCD科学成像相机。但这些设备的使用范围受到时间分辨要求的极大限制。CCD结构在高速成像中不能保持大空间分辨率。但是,sCMOS近年来,传感器取得了进展,具有高速帧率和低读出噪声sCMOS相机是细胞生物学、生物物理和离子转运生理实验的理想选择。


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