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定量分析更精准,数据捕捉更快速, Dhyana 400 BSI V2.0 完成关键性能升级,正式上市!

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2018-09-03
产品发布

自2018年11月鑫图推出了全球首款6.5微米的背照式背照式sCMOS科学相机——Dhyana 400BSI,得到高端科研市场的广泛关注,掀起全球高灵敏成像技术的又一轮升级热潮。在各家相继推出背照式sCMOS成像方案的近一年时间里,鑫图研发团队从未停止对技术精益求精的探索,如何将背照式sCMOS做成真正意义上的新一代科学相机,成为我们新的挑战目标。


2018年9月2日,鑫图宣布完成了相机速度和信号处理等关键性能升级的Dhyana 400BSI V2.0正式上市!


虽然Dhyana 400 BSI V2.0不涉及背照式图像传感器芯片G2020BSI的更新换代,也就是说,在像元尺寸、分辨率、量子效率、甚至读出噪声方面相比前代并没有改变,但此次升级涉及的关键技术点依然可圈可点,让人耳目一新!


没错,V2.0款外观变化不小。不仅从前脸看外观尺寸缩小了很多,颜色也变成了更酷的深灰黑色,这在一定程度上可以理解为,鑫图机械结构工艺的提高,毕竟尺寸越小,制冷和散热的工艺难度就越大。


从后脸看,面板上多了两个高速传输的CameraLink接口,这个重大的变化意味着相机内部硬件电路进行了全面升级改进,Dhyana 400 BSI V2.0最终实现了420万全分辨率下74fps@CameraLink的芯片极限传输速率,以及40fps@USB3.0的接口最高数据传输速率。

 


而外观和接口变化还仅仅只是Dhyana 400BSI V2.0的开胃菜,空间噪声算法升级才是本次更新的关键。

信噪比,在科学成像领域就是灵敏度和图像品质,可以单纯的理解成量子效率和噪声的对决。介绍之前,我们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。这颗国产的由长春长光辰芯公司生产的G2020BSI背照式芯片在量子效率方面大幅领先于传统正照式芯片,直接的结果就是:量子效率高多少,灵敏度就高多少。

 

 

 


但上帝是公平的,给谁的都不会太少,给谁的也都不会太多。辰芯G2020BSI这颗背照式sCMOS图像传感器虽然在量子效率方面大胜正照式sCMOS,但是由于工艺的原因,发热量和暗电流噪声较大,读出噪声的控制也不太好;而对于高端科研成像应用来说,如果不能控制好噪声,量子效率带来的优势就会大大缩小。

如何扬长避短?这里有必要普及一些噪声的基础常识。
 
噪声分为像素内噪声(读出噪声、光散粒噪声、暗电流噪声为代表)和像素间噪声(DSNU 、PRNU为代表的空间噪声)。早年CCD一统天下的时候,CCD的像素间噪声很低基本没人关注,所以大家一股脑儿想的是如何降低像素内噪声(读出噪声)。于是就有了第一代的sCMOS,把读出噪声做到了1个电子,大大超越了CCD,引起了行业革命。

此前全球最好的sCMOS相机读出噪声为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),还差一些些。但是一台科学相机的噪声不仅仅是读出噪声,还有暗电流和像素间噪声。

半导体制冷加风冷散热技术早前已经可以做到-10℃(环境温度20℃下)的低温水平,而Dhyana 400BSI V2.0相机的在20℃的室温下已经可以达到更低的-15℃水平,相机的暗电流噪声也由此降低到了0.15e-;对于绝大多数sCMOS成像来说,相比1.0e-的读出噪声,就算长达100毫秒的曝光对应产生的暗电流噪声也要小于0.02e-,几乎达到了可以忽略不计的水平。
 

随着CCD的退出和sCMOS的崛起,sCMOS像素间噪声(DSNU、PRNU) 偏大的问题开始被推上风口浪尖, sCMOS相机厂商在这两年进行了新一代升级。
 

之前全球最好的DSNU(暗信号不均一性)值是0.3e-。DSNU值越低代表噪声基线越平。V2.0版本的Dhyana 400BSI与2017款做比较的话,从前代的0.3e-下降到0.2e-。不仅打破了记录,还将业内最好的DSNU噪声下降了33%。

 

 

而之前全球最好的PRNU(光响应不均一性)值是0.3% (700e-)。PRNU值就是像素之间对光的响应的偏差率。V2.0版本的Dhyana 400BSI与2017款做比较的话,从前代的1.6%下降到0.3%,做到了目前的最优值。

 


需要指出的是,还有一种噪声人类世界暂时还奈何不了,它是光散粒噪声,光散粒噪声基于泊松分布的基本物理学原理,随着光子数变多而变大。对于sCMOS级别的科学相机来说,当光子数多于10个以上时,像素内噪声的统治权就交给光散粒噪声了。所以在涉及并非极限弱光的成像应用中,信噪比变成了量子效率与空间噪声 (DSNU/PRNU) 的对决。

所以Dhyana 400BSI V2.0的终极目标是“采用最高量子效率的背照式芯片,同时把空间噪声做到最低。”


背照式sCMOS芯片发热量大, Dhyana 400BSI V2.0就把制冷温度做得更低,在同样的体积内, Dhyana 400BSIV2.0的暗电流噪声与最好的正照式sCMOS相机旗鼓相当。
 
背照式sCMOS芯片读出噪声偏大0.2e-,那么Dhyana 400BSI V2.0就把DSNU和PRNU做得更低,失之东隅收之桑榆,这里像素内噪声多了0.2e-,在那里通过像素间噪声少0.1e-,把背照式sCMOS芯片的缺憾补偿了些回来。
 
当各项噪声指标和全球最优基本相当的时候, Dhyana 400BSIV2.0量子效率的优势就完全凸显了出来。我们不能只看着560nm处95%量子效率比正照式82%提高了15%,如果你做的是近红外光850nm应用,量子效率提高的就是40%,如果你做的是400nm蓝光应用,量子效率的提高甚至超过了60%,所有这种量级的信噪比提高对科学级应用来说,都是相当巨大的。
 
在光学领域有一种说法是性能提升10%,成本提高100%,那么Dhyana 400BSI V2.0动辄百分几十的灵敏度提高,价格要提升多少呢?

 


高QE的Dhyana400BSI在超高分辨率显微镜应用----《ACS Nano》

 

Dhyana 400BSI V2.0更新的力度不算小,但其价格并没有大幅提升,就算全部顶配想要一步到位,比如PC端的高速CameraLink卡、水冷(降温还能低10度)等全部招呼上,价位也同样值得期待。

 

除了自有的SDK和Demo,Dhyana 400BSI V2.0支持的第三方应用也已经大大扩展,包括Micromanager, Labview, Matlab等,可以为您提供更多应用支持和帮助。


定量分析更精准,数据捕捉更快速,鑫图携Dhyana 400 BSI V2.0再次向您致敬,感谢所有的支持与帮助!
  

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