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CMOS相机

ORCA-Flash2.8采用了技术更新、性能更出众的CMOS成像器件FL-280,能够同时满足高分辨率、高成像速度和低读取噪声三个方面的性能要求,为在生命科学显微成像、半导体检测、X射线闪烁体读取和工业成像领域的应用提供极大的便利。(*更多技术信息请下载此处插入pdf下载:flashdatatech的链接)

CMOS与CCD的区别

FLASH2.8的技术参数

FLASH2.8的性能特征

FLASH2.8的应用领域和实例

  CMOS与CCD的区别

CCD传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中,由最底端部分输出,再经由传感器边缘的放大器进行放大输出;而在CMOS传感器中,每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路,用类似内存电路的方式将数据输出。
如下图左边为CCD原理示意图,右边为CMOS原理示意图。

由于CCD和CMOS在结构上的这种差异,导致了两者性能的不同。一直以来,CMOS相机在灵敏度、分辨率和噪声控制方面都要逊色于CCD的表现,影响了其发展应用。我们通过长时间的努力,研制出FLASH2.8这款在性能上完全可以媲美科研制冷CCD的CMOS相机。
从下面两张表格对比可以看出CMOS技术近年来的发展变化。

表一:以前的性能对比

CCD

CMOS

低噪声
低噪声读取放大器
无固定图形噪声

高噪声
无相关双采样电路
像元间增益摆动

低暗电流
埋藏管道式二极管
高质量过程

低暗电流
埋藏式管道二极管
低质量过程

高灵敏度
良好的芯片棱镜表现
完全耗尽(高阻硅)
背照式

低灵敏度
低填充率
低阻硅
过程受限

高耗能
高速电荷转移
要求片外电路

低耗能
晶体管转换读取
最小片外芯片

表二:现在的性能对比


CCD

CMOS

低噪声
低噪声读取放大器
无固定图形噪声

低噪声
片内相关双采样电路
微小像元增益摆动

低暗电流
埋藏管道式二极管
高质量程序

低暗电流
埋藏式管道二极管
显著的进程质量改善

高灵敏度
良好的芯片棱镜表现
完全耗尽(高阻硅)
背照式

高灵敏度
同样的芯片棱镜技术
高阻硅
背照式

高速度
技术处理实现的高速低噪

高速度
列放大器和模数转换实现的高速低噪

高耗能
高速电荷转移
要求片外电路

低耗能
晶体管转换读取
最小片外芯片

FLASH2.8和ER-150、ICX061量子效率对比:
      

FLASH2.8的技术参数

图像传感器类型

280万像素科研级CMOS

波长灵敏度范围

可见光

信号强度

弱光

帧频(全分辨率)

45fps

曝光时间

20 ms to 10 s

空间分辨率(像元尺寸)

3.63 m

最高量子效率

近70%

 

性能特征

比制冷级CCD相机 更低的噪声:
仅有3e的读取噪声,使ORCA-FLASH2.8的弱光探测能力比传统制冷CCD的更加出众。
噪声处理能力对比(无图像校正)

 

在低噪声同时实现快速读取
在全分辨率时,读取速度45.4fps;最快读取速度为1273.6fps(子数组模式时)。

读取方式

像元数

读取速度(fps)

全分辨率

1920(H)×1440(V)

45.4

子数组读取

1920(H)×1080(V)

60.0

1920(H)×600(V)

104.6

1920(H)×240(V)

236.8

1920(H)×80(V)

540.0

1920(H)×8(V)

1273.6

低暗电流:
ORCA-FLASH2.8采用半导体制冷方式,将温度控制在+5°C(绝对温度)。

出色的图像质量(无固定图形噪声)
ORCA-FLASH2.8在每一个像元和每一行上都有读取放大器。由于采用了先进的半导体制造程序,放大器输出的差异被极大地减小。因此,可以有效避免一般CMOS
图像传感器在捕捉图像时产生的固定图形噪声。

 

两倍于传统CCD的分辨率:
ORCA-R2采用了2/3英寸,137万像素的像元;而ORCA-FLASH2.8像元尺寸仅有3.63um×3.63um,其分辨率达到了280万像素,为R2两倍。

分辨率的对比(明视场观测)
flash resolution sample

较传统CCD>更宽的视场:
即使像元尺寸仅仅是ORCA-R2的一半,由于ORCA-FLASH2.8拥有更多数量的像元,因此可以得到更为宽阔的视场。

视场的比较(荧光观测)左图为2/3英寸的CCD图像,右图为ORCA-FLASH2.8的图像

flash field of view sample

 

 

卓越的线性(输入与输出信号之比):

线性特征对于探测信号是十分必要的。FL-280以及其最优化的电路确保了ORCA-FLASH2.8拥有良好线性度

模拟增益功能:
对弱光成像而言,短时间曝光可以达到比较理想的效果。ORCA-FLASH2.8在芯片上集成了模拟信号放大功能,并能将其转换成数字信号。这可以减少A/D转换过程中的
量子化误差,并且可以将读出噪声降低到3e(r.m.s)。当弱光样品成像必须在短时间完成并且输出信号水平只有几十个ADU时,模拟增益功能可以很好的提高成像质量。

 

实时校正功能:
ORCA-FLASH2.8具有微差校正和瑕疵像元校正功能。在图像处理过程中,必须考虑到有些像元会输出比周围像元更大一些的读取噪声这种情况。因此为了进一步提高图
像质量,我们为ORCA-FLASH2.8设计了暗校正、微差校正和瑕疵像元校正对每个像元进行实时校正。

 

外同步功能:
除了一般数码相机所具有的边缘触发和电平触发功能,ORCA-FLASH2.8还增加了一些独特的同步触发功能:
整体曝光触发;
同步读取触发;
起始触发;
触发延迟功能;
以及计时输出功能:
可编程计时输出;
整体曝光计时输出;
触发预备输出。
这些功能管理曝光计时和周围设备,确保ORCA-FLASH2.8在多种应用领域都能够达到最好的成像效果。

应用领域

ORCA-Flash2.8 适用于诸多要求高分辨率、高速度、曝光时间从20 μs 到10 s 的可见光波段的应用领域。 >


 

 

 

应用实例

 


flash speed sample

高速成像

  • 上图: 观测图像
  • 左图: 颞骨钙离子动态
  • 样品: 自发(钙离子)加载了荧光铟元素的细胞变化
  • 取图设定: 45 fps (曝光时间: 22 ms)

flash resolution sample

分辨率的对比

  • 亮视场观测
  • 样品: 硅藻测试盘
  • 物镜: 40x

 

 

flash field of view sample

视场的对比

  • 荧光观测
  • 样品: 荧光细胞准备切片 #2 (肾上腺素)
  • 物镜: 40x

flash color sample

高灵敏度高分辨率成像

  • 叠加三色染色
  • 样品: 荧光细胞准备切片 #2
 
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