SCMOS传感器的冷却很重要

〜1个电子RMS的超低值可从今天的读取噪声SCMOS摄像机完全是前所未有的，即使是最好的CCD摄像机，也大大优于表现。读取噪声是相机噪声底检测极限的重要贡献者，但是热噪声组件（darkcurrent）也非常重要。对于基于CMO的相机，即使是适度的曝光时间也可能导致大量的暗流噪声影响成像质量。这使得考虑到深色电流以及读取噪音，以最大程度地减少相机的整体噪声底，这一点很重要。

尽管传感器的设计和生产将决定相机的深色电流的基础，但我们可以替代深色电流的方式之一就是冷却传感器。因此，通过使用有效的传感器冷却，Andor的SCMOS摄像机的设计为最低可能的暗电流。实际上，Andor Neo，Sona和马拉纳SCMOS摄像机是唯一具有永久真空技术的市售CMOS摄像头。这允许最深的热电冷却（分别为-40°C和-45°C），从而最大程度地减少了黑噪声的有害影响。

图1- SCMOS噪声底的图（读取噪声和暗噪声合并成正交）与曝光时间，在传感器冷却温度下，从竞争对手的SCMOS摄像机与0°C和-30°C测得的 +5°C（从Zyla测得）和Neo Scmos）。图显示了三个范围的曝光时间：0-2秒，0-10秒和0-600秒。

在三种不同的冷却温度下，SCMOS传感器CIS2051在图1中显示了噪声底与暴露时间的理论图， +5°C，0°C和-30°C。确定整体噪声底部用于确定整体噪声的参数是基于〜1个电子的典型读取噪声“基线”，并在每个温度下在每个温度下与CIS 2051 SCMOS传感器的典型暗流相结合，值为0°C和-30°C分别来自Andor Zyla和Neo SCMOS摄像机。在 +5°C下用于传感器的暗流值是从另一家相机制造商获得的数据表中获取的。合并的噪声是在正交中计算的，即使用“平方之和的平方根”。

图2-热噪声可以牺牲SCMOS低检测极限，如下所示。与竞争性的SCMO @ +5°C相比，以相同的相对强度缩放显示，在-30°C下记录了NEO SCMOS的低光图像；2秒的暴露时间；560MHz读数速度。还显示了来自单行的比较线强度曲线。

对于此处显示的示例，曝光范围长达2秒，可以观察到低空底部在 +5°C的较高温度下几乎被x2牺牲。相反，通过冷却至-30°C，可以保持〜1个电子噪声底。如果将暴露时间延长至10秒，则将与 +5°C相关的噪声底部显着损害到大于6个电子的值，即x6大于读取噪声，而将噪声保持在小于1.5电子的情况下，该值小于1.5电子。更深的冷却。

对于非常低的光测量，并非每个实验都需要非常短的暴露。有时，我们需要将曝光扩展到500毫秒至1秒钟以捕获弱信号。对于其他人，例如在化学发光检测中，有时可能需要延伸至10分钟及以后的暴露。在600秒，除非应用深冷却，否则对噪声底的热贡献将变得过大，在图C中显示为 +5°C时达到> 45个电子。在-30°C下保持冷却温度将导致在这个广泛的曝光期间保持噪声底部的2.4个电子。

图2显示了2秒暴露的黑暗图像，使用NEO SCMOS与竞争对手的SCMOS摄像机（具有在 + 5°C下运行的相同的传感器类型）。。由于SCMOS传感器在较高温度下的运行而引起的高深色电流的有害作用清楚。因此，可以看到深冷却可以扩展可用的SCMOS传感器的可用暴露范围，例如CIS2051和其他流行的传感器，例如CIS2020（CIS2020）（Zyla 4.2plus）和GS2020BSI（Sona-6和Marana-6）。但是，即使在深冷却下，建议对于长时间的长期暴露申请，是深冷却的万博电脑网页版登录CCD摄像机，例如Ikon-M CCD，提供最佳的信号与噪声比，而较慢的速度不是一个因素。

冷却SCMOS传感器对热像素斑点有什么影响？

CMOS传感器特别容易受到所谓的“热像素”瑕疵。这些是杂散的噪声像素，其暗电流明显高于平均像素。可以很容易地观察到它们，对图像有害，例如通过原本完美的3D共聚焦图像像明亮的长矛一样。

传感器工作温度（°C）	值> 2e-/p/s的热像素数量
+5°C	28,500
-30°C	1,800

表1- 5.5百万像素2051 SCMOS传感器的典型热像素数（即高于平均黑色像素），在冷却温度的 +5°C和-30°C下显示的暗电流大于2 E-/PIX/sec。

值得庆幸的是，我们可以使用传感器的深度冷却来大大减少传感器中热像素的种群，这意味着这些像素可用于定量成像。表1表明，通过冷却传感器，在实践中，具有高于平均水平的黑色的典型像素数量可以极大地限制，这意味着不需要通过插值过滤器处理它们。在此处显示的示例中 - 深冷的降低了这些像素，这些像素需要插值或其他校正方法将其降低到总像素群体的<0.03％。GS2020BSI传感器观察到类似的轮廓。我们真的希望避免使用插值过滤器并影响图像数据的完整性作为一般原则。实际上，这种插值应用于像素斑点可能会在某些依赖于有限的像素集的总定量完整性的应用中有害，例如基于定位的超分辨率显微镜（例如棕榈和风暴技术）。万博电脑网页版登录如果群集彼此相邻，则可能无法纠正某些瑕疵。

图3（a） - 在不同温度下暴露1秒钟的斑点。

图3（a）显示了在许多不同的冷却温度下，SCMOS CIS2051传感器的同一区域的3D强度图，每次在滚动快门模式下仅记录1秒钟的曝光时间。很明显，冷却至-30°C及以后是在减少热像素尖峰的发生方面非常有效的，因此提供了美观的图像和更大比例的可用和有意义的像素。反过来，这意味着使用最近的邻居中位替换算法处理需要更少的像素。即使使用非常短的暴露条件为30 ms，如图3（b）所示，仍然存在大量的热像素。

图3（b） - 在-30°C +5°C下暴露30毫秒的斑点

我们如何在避免振动的同时结合有效的冷却？

在上面的部分中，我们已经看到中等和深冷却可用于有效地最大程度地减少整体噪声层并获得最低的检测极限。冷却还减少了需要校正或插值过滤器的热和其他不均匀像素的量。另一个考虑因素是，某些光学配置对摄像头风扇的振动敏感，例如贴片夹，组合的光学/AFM设置，或者在高分设备下进行超分辨率或其他快速成像。

Andor摄像机具有多个功能，可以允许深冷却的好处，并最大程度地减少/消除振动。

Zyla系列

这Zyla 4.2plus和较新的Zyla 5.5具有低振动风扇，有助于最大程度地减少风扇引起的振动。Zyla的水冷却版本也可用于振动关键实验。

Neo 5.5

这Neo 5.5可以设置用于空气冷却或液体冷却。对于气冷运行，可以在2个速度之间调整风扇速度。此外，NEO的深冷却优势意味着可以在一段时间内关闭内部风扇。液体冷却也可用于消除风扇引起的振动。

通过相机“液体冷却”可以最大程度地减少振动，同时仍在-40°C下稳定。或者，如果在没有水冷却的情况下需要完全无振动的操作，则NEO风扇可以在有限的时间内关闭，在此期间，相机被动冷却。表2显示了在NEO相机在 + 25°C环境环境中操作时适用的典型风扇关闭持续时间。

传感器读数速度	选定的传感器温度	粉丝被迫持续的持续时间
560 MHz	0°C	60分钟
560 MHz	5°C	79分钟
560 MHz	15°C	93分钟
560 MHz	-15°C	9分钟
560 MHz＃	-30°C	5分钟
200 MHz	-15°C	18分钟
200 MHz	-30°C	12分钟

表2-在25°C的环境环境中操作NEO SCMO时，在一系列冷却温度和读数速度上可以实现的粉丝持续时间的示例。

Sona和Marana系列

与Neo 5.5一样索纳和马拉纳可以以空气冷却或液体冷却格式配置反向刷新的SCMOS摄像机。在空气冷却下，可以使用2个风扇速度并在短时间内关闭风扇。根据成像参数的不同，可以在扇子重新开启的风扇之前运行Sona和Marana摄像头几分钟。这为消除水冷却提供了方便的替代方案，以消除振动 - 如果实验很短，并且在获取后续图像之前，传感器可以使用时间返回设定的温度。液体冷却提供了最有效的深冷却和消除振动。