顯微鏡相機(jī)可以用數(shù)字方式捕捉并永久記錄顯微鏡下圖像，通過計(jì)算機(jī)等設(shè)備讀取圖像文件并可以在顯示器上顯示圖像，同時(shí)還可以通過圖像采集軟件進(jìn)行圖像調(diào)整和定量分析。

目前相機(jī)傳感器主要分為以下四種類型：

1. CCD：CCD是電荷耦合器件的首字母縮寫。簡而言之，CCD是具有光敏區(qū)域并作為數(shù)碼相機(jī)傳感器使用的半導(dǎo)體芯片。CCD傳感器捕獲光子并將其轉(zhuǎn)換為電荷，而電荷則是用于成像的數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)。傳統(tǒng)上看，CCD傳感器是科學(xué)研究應(yīng)用的最佳選擇。但是隨著新傳感器技術(shù)的出現(xiàn)，這種較為老舊的技術(shù)正逐漸風(fēng)光不再。

2. EMCCD：EMCCD代表電子倍增電荷耦合器件。EMCCD是一種可以將高于CCD讀取噪聲的弱光信號(hào)放大的CCD傳感器。在傳統(tǒng)CCD中，極低的信號(hào)水平通常低于傳感器的讀取噪聲，因此其成像能力在以快速幀率捕捉極低光照水平下圖像的應(yīng)用中受到限制。EMCCD相機(jī)以檢測弱光而著稱，所以您可能有時(shí)候聽見有人將其稱為弱光相機(jī)。由于具有較高靈敏度，它因此成為在極弱光線下捕捉快速生物現(xiàn)象的有效工具。

3. CMOS：CMOS即互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，也是CCD技術(shù)的后繼產(chǎn)品。CMOS和CCD之間的首要區(qū)別是信號(hào)電子的讀取架構(gòu)。由于為單光敏二極管提供多讀出放大器，CMOS的讀取速度明顯快于CCD?？焖僮x取的弊端在于卷簾快門失真。由于CMOS快速掃描整個(gè)圖像以收集數(shù)據(jù)，而非每次捕捉一個(gè)像素，因此曝光時(shí)間差有時(shí)會(huì)導(dǎo)致失真。 相比之下，CCD傳感器可以通過在存儲(chǔ)電荷同時(shí)收集入射光子避免這種失真，從而讓其能夠同時(shí)讀出每個(gè)像素。傳統(tǒng)上，CMOS的信噪比低于CCD，但現(xiàn)在已經(jīng)推出很多高質(zhì)量的CMOS相機(jī)。另外，全局快門CMOS的引入解決了卷簾快門失真問題。

4. sCMOS：sCMOS是科研級(jí)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體的縮寫，通常也縮寫為科研級(jí)CMOS。sCMOS是一種具有大尺寸像素和低噪聲性能的CMOS傳感器。其具備比常規(guī)CMOS更高的靈敏度。通常我們會(huì)像冷卻CCD傳感器一樣，通過對(duì)sCMOS進(jìn)行冷卻來最大限度減少暗電流，以此獲得更高的信噪比。sCMOS和EMCCD相機(jī)之間最重要的區(qū)別是sCMOS相機(jī)不具備長時(shí)間曝光的能力。對(duì)于需要長時(shí)間曝光或具有弱熒光信號(hào)的生物發(fā)光成像應(yīng)用，EMCCD相機(jī)是首選，而sCMOS相機(jī)由于其能夠與多種成像技術(shù)配合使用而廣受歡迎。

由于技術(shù)的不斷進(jìn)步，市場上涌現(xiàn)出了很多高品質(zhì)的顯微鏡相機(jī)。相機(jī)成像性能由相機(jī)特定術(shù)語和規(guī)格決定，本文旨在介紹顯微鏡相機(jī)常見的規(guī)格參數(shù)，以提供關(guān)于如何選擇合適的相機(jī)來獲得高質(zhì)量圖像的指導(dǎo)。

分辨率

分辨率是顯微鏡可用于觀察難以光學(xué)解析的微小結(jié)構(gòu)。光學(xué)分辨率限制意味著更多的像素或較小的像素間距并不始終能夠提供更高的分辨率。獲得更好分辨率的關(guān)鍵在于選擇與數(shù)值孔徑（NA）、光學(xué)系統(tǒng)總倍率以及樣品空間頻率相關(guān)的適當(dāng)像素間距。

許多人認(rèn)為像素越多，分辨率就越高，圖像質(zhì)量也越好。這種說法其實(shí)是不正確的。事實(shí)上決定相機(jī)分辨率的是像元尺寸而非個(gè)數(shù)。像元尺寸越小，分辨率越高。但要注意的是，要實(shí)現(xiàn)高分辨率的圖像，需要將像元尺寸和顯微鏡的光學(xué)分辨率相匹配。

在選擇相機(jī)的時(shí)候，如果是極弱光和高速的應(yīng)用，需要追求極限靈敏度，那么選擇像元盡量大的相機(jī)；如果追求分辨率，那要選擇像元盡量小的相機(jī)。但由于受限于物鏡分辨率，更小的像元不能提高整個(gè)系統(tǒng)的分辨率。通常情況下，低倍率物鏡要求小像元相機(jī)與之匹配，高倍率物鏡要求大像元相機(jī)與之匹配。

QUANTUM 效率

QUANTUM 效率（縮寫為 QE） 是傳感器以特定波長將光子轉(zhuǎn)換為電子的百分比，QE 越高意味著探測光線的靈敏度越高，使其在弱光應(yīng)用環(huán)境更有利。此外，某些傳感器可能還經(jīng)過特別調(diào)整，以便在不同的波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度。根據(jù)您的應(yīng)用環(huán)境，特定波長下的 QE 結(jié)果可能比其他因素更為重要。

普通CCD/CMOS芯片采用前照式技術(shù)，像素表面有部分被不透光的金屬結(jié)構(gòu)覆蓋，光無法透過，導(dǎo)致QE損失。為提高QE，現(xiàn)代芯片在每個(gè)像素表面加做了微透鏡(micro lens)，使部分本來照射到金屬結(jié)構(gòu)上的光偏轉(zhuǎn)，聚焦到芯片感光區(qū)域。這樣能對(duì)CMOS 芯片的QE有一定提高。

最新的背照式芯片技術(shù)將芯片反過來，光直接照射在芯片上，不用穿過上述的金屬結(jié)構(gòu)層，對(duì)信號(hào)的阻擋也就不存在了。這樣可以獲得近乎完美的95% 峰值量子效率而且可以實(shí)現(xiàn)低至200nm的深紫外和高至1100nm的近紅外探測。

噪聲

即相機(jī)成像過程中固定存在的三種主要噪聲。它們分別是：顳暗噪聲、散粒噪聲和暗電流噪聲。

顳暗噪聲是無信號(hào)時(shí)傳感器中的噪聲，顳暗噪聲越低意味著圖像越清晰。所有傳感器都會(huì)產(chǎn)生一定程度的顳暗噪聲，這是由傳感器上的電子元件造成的。顳暗噪聲不受曝光時(shí)間的影響，不包括散粒噪聲。新版?zhèn)鞲衅骺衫眯录夹g(shù)優(yōu)勢來降低顳暗噪聲。CCD / EMCCD和sCMOS相機(jī)由于傳感器的信號(hào)讀出結(jié)構(gòu)不同，顳暗噪聲有很大差別。sCMOS相機(jī)的讀出噪聲遠(yuǎn)低于CCD/EMCCD。

散粒噪聲是一種固有的物理現(xiàn)象，它是由于光子發(fā)射過程的不確定性導(dǎo)致的，反映了 光子到達(dá)率存在的統(tǒng)計(jì)偏差。散粒噪聲是信噪比中重要的影響因素。它決定了即使是沒有任何噪聲的理想相機(jī)，信噪比也不是無窮大的。事實(shí)上，散粒噪聲在大多數(shù)情況下是影響信噪比的最大元兇。

暗電流是相機(jī)傳感器內(nèi)部的硅晶格產(chǎn)熱所產(chǎn)生的多余電子，它是隨時(shí)間累積的單位是 每個(gè)像素每秒產(chǎn)生的電子 (e-/p/s)。因此在長時(shí)間曝光的應(yīng)用中，暗電流是一個(gè)需要著重考慮的因素。高速成像中，暗噪聲影響幾乎可以忽略，對(duì)于長時(shí)間曝光的應(yīng)用，暗噪聲會(huì)隨著曝光時(shí)間線性增加，暗噪聲小的相機(jī)（如制冷CCD相機(jī)）會(huì)更有優(yōu)勢。制冷是降低暗電流的主要措施，一般來說，溫度每降低7°C，暗電流減半。一般來說-25℃左右的制冷溫度已經(jīng)能夠滿足絕大部分應(yīng)用需求。

飽和容量

每個(gè)像素就像是一口井或一個(gè)桶，能夠容納一定數(shù)量的電子。飽和容量表明了單個(gè)像素能夠儲(chǔ)存的最大電子數(shù)，這與傳感器的像素大小有關(guān)。飽和容量越大，潛在動(dòng)態(tài)范圍便越大。該數(shù)目越小，像素達(dá)到最高電荷的速度就越快。想象一下，如果所有像素均達(dá)到飽和容量，那么監(jiān)視器會(huì)顯示白屏。僅憑飽和容量這一項(xiàng)并不能全面衡量傳感器的性能，因?yàn)轱D暗噪聲和量子效率需要與飽和容量互相結(jié)合，進(jìn)而才能得出動(dòng)態(tài)范圍與信噪比結(jié)果。

信躁比

信噪比是飽和狀態(tài)下信號(hào)與噪聲之比。飽和狀態(tài)下的噪聲主要為散粒噪聲。信噪比的值越高，所獲得圖像的對(duì)比度和清晰度相對(duì)于圖像中的噪聲而言便會(huì)越高。例如，如果SNR 為1，您所拍攝的對(duì)象與圖像中的噪聲相比便難以識(shí)別。在光線極低的應(yīng)用環(huán)境下，比如暗視野顯微鏡和熒光成像，高信噪比是一項(xiàng)重要的規(guī)格。一般SNR需高于 35 dB。

上圖為理想和實(shí)際信噪比曲線，在信號(hào)比較強(qiáng)的情況下，散粒噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于讀出噪聲，信噪比位于散粒噪聲控制區(qū)域，這時(shí)決定信噪比的僅僅是信號(hào)強(qiáng)度和量子效率，增加曝光時(shí)間，加強(qiáng)激發(fā)光功率，或提高相機(jī)量子效率都能提高圖像信噪比。

不過，在許多實(shí)際應(yīng)用尤其是活細(xì)胞成像中，為了避免光漂白、光毒性，或是為了提高速度，曝光時(shí)間很短，激發(fā)光強(qiáng)度也相對(duì)較弱，信號(hào)常常處在相對(duì)較低的水平。這時(shí)，信噪比位于讀出噪聲控制的區(qū)域，讀出噪聲對(duì)信噪比的影響比較大。相機(jī)靈敏度相同時(shí)，讀出噪聲越低，信噪比越高。

動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是飽和狀態(tài)下的信號(hào)與傳感器能測量的最低信號(hào)之比。動(dòng)態(tài)范圍越大，所獲得圖像的灰度細(xì)節(jié)等級(jí)就越高。換言之，動(dòng)態(tài)范圍表明了相機(jī)探測最大和最小光強(qiáng)度的能力（陰影和高光）。動(dòng)態(tài)范圍較高的型號(hào)能夠探測到更多細(xì)節(jié)。在室外應(yīng)用場景下，當(dāng)明亮區(qū)和黑暗區(qū)同時(shí)成像或者相機(jī)處在快速變化的光照條件下，動(dòng)態(tài)范圍越高越好。

絕對(duì)靈敏度

絕對(duì)靈敏度閾值是使信號(hào)等于噪音所需的光子數(shù)。光子數(shù)量越少，相機(jī)能從圖像噪聲中識(shí)別出有用成像數(shù)據(jù)的效果就越佳。此規(guī)格對(duì)于光線極低的應(yīng)用環(huán)境而言尤為重要。與僅看QE或噪聲不同，絕對(duì)靈敏度閾值還能使我們更加了解傳感器的低光性能，因?yàn)樵撻撝低瑫r(shí)考慮了傳感器的QE和顳暗噪聲與散粒噪聲。

增益

該參數(shù)用于表明要發(fā)現(xiàn)16位ADU中的變化而需更改的電子數(shù)量（更多地被稱為灰度）。16位灰度相當(dāng)于65535特有灰度級(jí)別，將需要特定數(shù)目的電子，才能使傳感器跳轉(zhuǎn)至下一個(gè)灰度級(jí)。

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