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定量分析更精準,數據捕捉更快速, Dhyana 400 BSI V2.0 完成關鍵性能升級,正式上市!

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2018-09-03
產品發布

自2017年11月鑫圖推出了全球首款6.5微米的背照式背照式sCMOS科學相機——Dhyana 400BSI,得到高端科研市場的廣泛關注,掀起全球高靈敏成像技術的又一輪升級熱潮。在各家相繼推出背照式sCMOS成像方案的近一年時間里,鑫圖研發團隊從未停止對技術精益求精的探索,如何將背照式sCMOS做成真正意義上的新一代科學相機,成為我們新的挑戰目標。


2018年9月2日,鑫圖宣布完成了相機速度和信號處理等關鍵性能升級的Dhyana 400BSI V2.0正式上市!


雖然Dhyana 400 BSI V2.0不涉及背照式圖像傳感器芯片G2020BSI的更新換代,也就是說,在像元尺寸、分辨率、量子效率、甚至讀出噪聲方面相比前代并沒有改變,但此次升級涉及的關鍵技術點依然可圈可點,讓人耳目一新!


沒錯,V2.0款外觀變化不小。不僅從前臉看外觀尺寸縮小了很多,顏色也變成了更酷的深灰黑色,這在一定程度上可以理解為,鑫圖機械結構工藝的提高,畢竟尺寸越小,制冷和散熱的工藝難度就越大。


從后臉看,面板上多了兩個高速傳輸的CameraLink接口,這個重大的變化意味著相機內部硬件電路進行了全面升級改進,Dhyana 400 BSI V2.0最終實現了420萬全分辨率下[email protected]的芯片極限傳輸速率,以及[email protected]的接口最高數據傳輸速率。

 


而外觀和接口變化還僅僅只是Dhyana 400BSI V2.0的開胃菜,空間噪聲算法升級才是本次更新的關鍵。

信噪比,在科學成像領域就是靈敏度和圖像品質,可以單純的理解成量子效率和噪聲的對決。介紹之前,我們不得不先了解一下背照式sCMOS芯片。

Dhyana 400BSI V2.0采用了背照式sCMOS芯片。這顆國產的由長春長光辰芯公司生產的G2020BSI背照式芯片在量子效率方面大幅領先于傳統正照式芯片,直接的結果就是:量子效率高多少,靈敏度就高多少。

 

 

 


但上帝是公平的,給誰的都不會太少,給誰的也都不會太多。辰芯G2020BSI這顆背照式sCMOS圖像傳感器雖然在量子效率方面大勝正照式sCMOS,但是由于工藝的原因,發熱量和暗電流噪聲較大,讀出噪聲的控制也不太好;而對于高端科研成像應用來說,如果不能控制好噪聲,量子效率帶來的優勢就會大大縮小。

如何揚長避短?這里有必要普及一些噪聲的基礎常識。
 
噪聲分為像素內噪聲(讀出噪聲、光散粒噪聲、暗電流噪聲為代表)和像素間噪聲(DSNU 、PRNU為代表的空間噪聲)。早年CCD一統天下的時候,CCD的像素間噪聲很低基本沒人關注,所以大家一股腦兒想的是如何降低像素內噪聲(讀出噪聲)。于是就有了第一代的sCMOS,把讀出噪聲做到了1個電子,大大超越了CCD,引起了行業革命。

此前全球最好的sCMOS相機讀出噪聲為1.0e-(中值)和1.6e-(均方根值)。Dhyana 400BSI V2.0做到了1.2e-(中值)和1.8e-(均方根值),還差一些些。但是一臺科學相機的噪聲不僅僅是讀出噪聲,還有暗電流和像素間噪聲。

半導體制冷加風冷散熱技術早前已經可以做到-10℃(環境溫度20℃下)的低溫水平,而Dhyana 400BSI V2.0相機的在20℃的室溫下已經可以達到更低的-15℃水平,相機的暗電流噪聲也由此降低到了0.15e-;對于絕大多數sCMOS成像來說,相比1.0e-的讀出噪聲,就算長達100毫秒的曝光對應產生的暗電流噪聲也要小于0.02e-,幾乎達到了可以忽略不計的水平。
 

隨著CCD的退出和sCMOS的崛起,sCMOS像素間噪聲(DSNU、PRNU) 偏大的問題開始被推上風口浪尖, sCMOS相機廠商在這兩年進行了新一代升級。
 

之前全球最好的DSNU(暗信號不均一性)值是0.3e-。DSNU值越低代表噪聲基線越平。V2.0版本的Dhyana 400BSI與2017款做比較的話,從前代的0.3e-下降到0.2e-。不僅打破了記錄,還將業內最好的DSNU噪聲下降了33%。

 

 

而之前全球最好的PRNU(光響應不均一性)值是0.3% (700e-)。PRNU值就是像素之間對光的響應的偏差率。V2.0版本的Dhyana 400BSI與2017款做比較的話,從前代的1.6%下降到0.3%,做到了目前的最優值。

 


需要指出的是,還有一種噪聲人類世界暫時還奈何不了,它是光散粒噪聲,光散粒噪聲基于泊松分布的基本物理學原理,隨著光子數變多而變大。對于sCMOS級別的科學相機來說,當光子數多于10個以上時,像素內噪聲的統治權就交給光散粒噪聲了。所以在涉及并非極限弱光的成像應用中,信噪比變成了量子效率與空間噪聲 (DSNU/PRNU) 的對決。

所以Dhyana 400BSI V2.0的終極目標是“采用最高量子效率的背照式芯片,同時把空間噪聲做到最低。”


背照式sCMOS芯片發熱量大, Dhyana 400BSI V2.0就把制冷溫度做得更低,在同樣的體積內, Dhyana 400BSIV2.0的暗電流噪聲與最好的正照式sCMOS相機旗鼓相當。
 
背照式sCMOS芯片讀出噪聲偏大0.2e-,那么Dhyana 400BSI V2.0就把DSNU和PRNU做得更低,失之東隅收之桑榆,這里像素內噪聲多了0.2e-,在那里通過像素間噪聲少0.1e-,把背照式sCMOS芯片的缺憾補償了些回來。
 
當各項噪聲指標和全球最優基本相當的時候, Dhyana 400BSIV2.0量子效率的優勢就完全凸顯了出來。我們不能只看著560nm處95%量子效率比正照式82%提高了15%,如果你做的是近紅外光850nm應用,量子效率提高的就是40%,如果你做的是400nm藍光應用,量子效率的提高甚至超過了60%,所有這種量級的信噪比提高對科學級應用來說,都是相當巨大的。
 
在光學領域有一種說法是性能提升10%,成本提高100%,那么Dhyana 400BSI V2.0動輒百分幾十的靈敏度提高,價格要提升多少呢?

 


高QE的Dhyana400BSI在超高分辨率顯微鏡應用----《ACS Nano》

 

Dhyana 400BSI V2.0更新的力度不算小,但其價格并沒有大幅提升,就算全部頂配想要一步到位,比如PC端的高速CameraLink卡、水冷(降溫還能低10度)等全部招呼上,價位也同樣值得期待。

 

除了自有的SDK和Demo,Dhyana 400BSI V2.0支持的第三方應用也已經大大擴展,包括Micromanager, Labview, Matlab等,可以為您提供更多應用支持和幫助。


定量分析更精準,數據捕捉更快速,鑫圖攜Dhyana 400 BSI V2.0再次向您致敬,感謝所有的支持與幫助!
  

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