在量子物理領(lǐng)域的單光子態(tài)精準(zhǔn)甄別、生命科學(xué)領(lǐng)域的細(xì)胞亞結(jié)構(gòu)超分辨觀測(cè)及材料科學(xué)領(lǐng)域的分子級(jí)動(dòng)態(tài)追蹤等極限弱光研究場(chǎng)景中，探測(cè)器的靈敏度、噪聲控制與穩(wěn)定性直接決定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

傳統(tǒng)EMCCD相機(jī)雖曾是該領(lǐng)域的標(biāo)桿設(shè)備，但其固有的增益老化、乘性噪聲、極低采樣頻率、高昂設(shè)備成本等問(wèn)題，始終影響研究者長(zhǎng)期觀測(cè)與高精度分析的效率。

深視智能Solis B518作為針對(duì)性革新的科學(xué)級(jí)sCMOS相機(jī)，在芯片選型、低噪聲電路設(shè)計(jì)、真空密封與制冷技術(shù)、圖像矯正算法等方面均有突破。憑借這些優(yōu)異的產(chǎn)品性能和更穩(wěn)定的技術(shù)路線(xiàn)，它已成為多領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)的核心成像工具。

01

極限靈敏度

Solis B518相機(jī)采用獨(dú)家定制的科學(xué)級(jí)背照式（BSI）CMOS芯片。BSI結(jié)構(gòu)的一大優(yōu)勢(shì)是量子效率極高（quantum efficiency，QE）；由于其電荷探測(cè)層較厚，在近紅外區(qū)域和紫外區(qū)域也具備較高量子效率。

得益于背照式（BSI）結(jié)構(gòu)，Solis B518相機(jī)在低照度條件下能獲得更高的信噪比，同時(shí)具備更快的讀出速度與更低的運(yùn)行功耗。

圖 | 左：6.5μm像元1500μs曝光；右：18μm像元150μs曝光

原生18×18μm超大像元顯著擴(kuò)大了感光面積，既賦予其無(wú)與倫比的靈敏度，又進(jìn)一步提升了信噪比。上圖為890nm波段的火焰觀測(cè)測(cè)試結(jié)果：左圖為6.5微米背照式sCMOS相機(jī)拍攝圖像，右圖為Solis B518拍攝圖像?？梢悦黠@看出，Solis B518僅用前者1/10的曝光時(shí)間，就獲得了更明亮的圖像，充分印證了其在890nm波段的優(yōu)異靈敏度。

02

亞電子級(jí)讀出噪聲特性

圖 | 讀出噪聲統(tǒng)計(jì)

為了應(yīng)對(duì)極具挑戰(zhàn)的弱光成像場(chǎng)景，Solis B518相機(jī)從傳感器結(jié)構(gòu)到處理電路的電子元件，全面進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。基于EMVA 1288標(biāo)準(zhǔn)對(duì)讀出噪聲進(jìn)行測(cè)試統(tǒng)計(jì)（如上圖所示），Solis B518相機(jī)實(shí)現(xiàn)了0.5e-級(jí)別的極低噪聲性能。

03

空間光子數(shù)分辨能力

普通圖像傳感器因讀出噪聲較高，難以實(shí)現(xiàn)光子數(shù)分辨；而Solis B518相機(jī)讀出噪聲較低，因此可精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)光子統(tǒng)計(jì)。下圖為相機(jī)實(shí)測(cè)結(jié)果——平均光電子為3e-/pixel的直方圖。

圖 |光電子概率分布

Solis B518相機(jī)除了能實(shí)現(xiàn)時(shí)間光子數(shù)分辨外，還可達(dá)成空間光子數(shù)分辨，其成像噪聲服從泊松分布。

04

極低的暗電流噪聲

眾所周知，暗電流隨溫度升高而增加；隨曝光時(shí)間延長(zhǎng)，暗電流對(duì)應(yīng)的灰度值線(xiàn)性上升，帶來(lái)兩方面影響：一是導(dǎo)致暗場(chǎng)下平均灰度值與曝光時(shí)間的關(guān)系發(fā)生變化，二是導(dǎo)致暗場(chǎng)下暗噪聲與曝光時(shí)間的關(guān)系發(fā)生變化。

1、針對(duì)暗噪聲的影響，可通過(guò)制冷抑制——溫度越低，暗電流越小。研究表明，溫度每下降6-8℃，暗電流便減小一半。Solis B518相機(jī)通過(guò)多級(jí)TEC制冷（≥60℃溫差）與深視自研的全真空密封工藝（漏氣率≤10??Pa·m3/s），有效抑制了暗電流干擾。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，相機(jī)制冷到-30℃條件下，其暗電流低至0.007e-/pixel/s，處于行業(yè)先進(jìn)水平。

圖 | -10℃下的暗電流及矯正效果

2、針對(duì)平均灰度值的影響，可通過(guò)深視的專(zhuān)利性圖像矯正算法，將平均灰度值的變化校正到合理范圍，從而獲得更優(yōu)成像效果。

05

良好的均勻性和線(xiàn)性度

在成像領(lǐng)域，暗信號(hào)不均勻性（DSNU）是評(píng)估科學(xué)相機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它反映了傳感器在全暗環(huán)境中各像素暗電流輸出的差異度。該數(shù)值越小，意味著sCMOS相機(jī)像素間暗信號(hào)的波動(dòng)越微弱，圖像均勻性就越突出。

圖 | 左：矯正前（1.6e-）；右：矯正(0.2e-)

以深視智能Solis B518相機(jī)為例，該相機(jī)通過(guò)板載級(jí)高性能高效校正算法，將DSNU指標(biāo)降低至0.3e-，大幅降低了信號(hào)的隨機(jī)干擾，讓圖像細(xì)節(jié)呈現(xiàn)更穩(wěn)定、更豐富，同時(shí)光響應(yīng)線(xiàn)性度表現(xiàn)優(yōu)異。

圖 | CMS 16bit模式下線(xiàn)性度曲線(xiàn)

以上核心參數(shù)均通過(guò)EMVA 1288測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證。如需獲取更多產(chǎn)品信息或申請(qǐng)樣機(jī)測(cè)試，可登錄深視智能官網(wǎng)或咨詢(xún)相關(guān)銷(xiāo)售人員。

深視智能Solis B518 sCMOS相機(jī)的問(wèn)世，將為科研級(jí)微量信號(hào)的捕獲與分析提供堅(jiān)實(shí)的成像支撐。下期，我們將帶來(lái)不一樣的科學(xué)相機(jī)成像效果，敬請(qǐng)期待。