何时使用裁剪传感器模式&提高相机采集速度

什么是裁剪传感器模式?

• 专门的读出模式，实现非常快的帧率(亚毫秒曝光)从'标准'相机。
• 连续快速假脱机图像/光谱到硬盘。
• 用户可选择裁剪传感器尺寸-高度直观的软件定义。
• 标准读出模式的iXon3 EMCCD相机，牛顿(CCD和EMCCD)和iKon (CCD相机。

如果实验需要快速的时间分辨率，但不受传感器的最大存储大小的限制(就像读取的“快速动力学模式”的情况一样)，那么可以在特殊的用户可选择的“裁剪传感器模式”中读取一些Andor EMCCD或CCD相机系列。在这种模式下，用户在整个图像传感器区域内定义一个“子数组”大小，这样它就包含了图像中快速发生变化的区域(例如，细胞内的“钙火花”)。传感器随后“想象”它是这个更小的定义数组大小，通过软件执行特殊的读取模式来实现，并以相应的更快的帧速率读取。定义的数组大小越小，帧速率越快。为了使用裁剪传感器模式，必须确保没有光落在定义区域之外的光敏感区域上。在裁剪区域之外收集的任何光线都可能破坏在这种模式下获得的图像。裁剪传感器模式的最终结果是获得比传统的“子阵列”/ ROI读取更快的帧速率(在此期间，我们仍然必须垂直移动不需要的行)。帧率的提高是通过不读取(即丢弃)不需要的像素来实现的。

图1。裁剪传感器模式。

传感器的主动成像区域的定义方式是只使用整个芯片的一小部分进行成像。剩余的区域必须被光学屏蔽，以防止漏光和电荷溢出，这将损害成像区域的信号。通过裁剪传感器，可以获得更快的帧速率，因为时间分辨率将由读取传感器的一小部分所需的时间决定。

裁剪传感器模式非常适合跨越许多不同研究领域的许多具有挑战性的应用。万博电脑网页版登录在技术匹配方面，裁剪传感器非常适合EMCCD相机的快速应用。万博电脑网页版登录EMCCD技术的基本优势和独特特点是它能够在任何读出速度下几乎消除相机读出噪声检测极限。这使得EMCCD探测器成功地应用于原始灵敏度和曝光时间要求最终阻止使用传统CCD系统的应用。万博电脑网页版登录在生物成像中，裁剪传感器模式可以成功地用于提高超分辨率“纳米”应用程序的性能和吞吐量，包括STORM和PALMIRA。万博电脑网页版登录在足够小的作物面积下，可以实现超过1000 / s的成像帧率。在Andor iXon+ 885 EMCCD相机上进行的一系列测量表明，裁剪传感器模式与分箱相结合已将速度推至每秒4000帧以上。

图像大小(像素)	速度(fps)	速度(fps)
	没有装箱	2 × 2装箱
10 × 10	4194	6250
20 x 20	2430	3927
50 x 50	1050	1786
100 x 100	547	958

表1:在裁剪传感器模式读出条件下，Andor iXon3 885 EMCCD相机的成像帧率潜力。

Alexander Egner在其使用高速Andor iXon3 860 EMCCD进行快速PALM成像的论文中证明了大肠杆菌细胞图像分辨率的显著提高(图2)。

图2:大肠杆菌常规成像(A)和PALMIRA成像(B)， 200 nm厚的标记大肠杆菌的细胞质膜冷冻切片(来自:A. Egner等人，生物物理学杂志，2007)

基于EMCCD的自适应光学，通常使用较小格式的EMCCD传感器，可以从裁剪的传感器读出中受益。小区域emccd已经可以以>500 fps的速度工作，并且可以在裁剪模式下灵活优化，以超过2000 fps。裁剪传感器模式的使用为非常快速的自适应光学成像提供了新的可能性，使用户能够达到每秒数千帧。因为裁剪图像模式可以在图像和全垂直折叠模式下使用，这使得它非常具有吸引力的特征用于光谱EMCCD成像与安多牛顿光谱相机。下表给出了两种型号Newton EMCCD光谱采集的裁剪图像模式的帧率

相机	安多牛顿DU970N	Andor Newton DU971N
最大光谱/秒全垂直分箱	606	379
最大光谱/秒裁剪模式(20行高)	1316	1316

表2:在裁剪传感器模式读出条件下，安多牛顿EMCCD相机的光谱率潜力与“标准”全垂直分箱率。

Andor Newton光谱EMCCD相机能够将传感器的有效尺寸缩小到一个狭窄的格式，需要更少的垂直行移位来获得给定的光谱。图3展示了这样一个使用裁剪传感器模式的例子。频谱沿着传感器的底部行对齐，因此所有信号都落在底部20行，没有信号落在传感器的其余部分。在采集过程中，EMCCD被视为在FVB模式下读取的20行高度之一，即在读取发生之前，这20行被集成到读出寄存器中。

图3:裁剪传感器在安铎牛顿的光谱采集模式。

上面板显示的图像裁剪仅使用其底部20像素作为成像区域。中间是典型的光谱，下面是20像素高维的三维光谱渲染图。用裁剪模式拍摄的动力学光谱系列的3D视图通常用于说明演化事件的时间变化。

也有可能使用裁剪的emccd进行多光谱荧光共聚焦扫描，作为传统上用于这种方法的pmt阵列的替代方案。背光传感器的> 90%量子效率、单光子灵敏度、阵列结构和快速像素读出速度可以被利用来显著改进这种方法。激光驻留时间应设置为与曝光和读出约32个像素的短行时间一致——足够的光谱通道可产生几种已知发射染料的有效混合，从而生成一个512 x 512 x 32(光谱)的数据立方体，所需时间不到1秒。与通常使用的pmt技术相比，EMCCD像素具有明显的灵敏度优势，后者在蓝绿色区域约为5倍，在红色区域高达10倍。