前言：“近年中国半导体行业迅猛发展，越来越多的国内装备商投入半导体检测和测量设备的开发和研究中。相机作为整个光学晶圆检测和量测的绝对关键部件，选择一个高灵敏度，高分辨率，超高速，高信噪比的相机就至关重要，针对如何获得最佳的科学成像质量，我们把相机的核心和常用指标给大家做一个简单的介绍。”光采集

相机收集光的能力是决定成像质量的最基础因素之一。相机能收集到的光子越多，成像质量就越好。光的收集效率主要由以下几个决定。

量子效率（QE)

结论：在所需波长范围，更高量子效率将显著提高科学图像的成像质量。高量子效率对绝大多数应用来说是至关重要的，我们能收集的光子越多，测量精度就越高，图像质量也就越好。

量子效率（QE）是衡量相机将入射光子转换为有效电子的指标。例如：假若传感器的QE为100%，也就是说传感器暴露于100个光子中，它将产生100个电子信号。

决定量子效率的sensor主要分前照式与背照式（如图1所示）。对于前照式相机来说，传感器的电子和布线是在光敏硅和入射光子之间，通过上方的微透镜聚光，光子需穿过中间布线。前照式传感器这种虽然工艺和制造更简单，但这种设计通常会损失至少25%的有效光子。另外一种更有效sensor设计是背照式，即传感器是倒置的，光子直接击中光敏硅，无需微透镜，但这就需将硅减薄到光敏~1.1 μm厚的水平，背照式会有更好QE响应。

高端科学相机可以通过背照式实现高达95%的QE，当然这也取决于被探测到的光波长（如图2所示）。在可见光谱的近红外和紫外区域，传感器会出现较低的QE响应，特别是在前照式相机。

图1 显示前照式传感器和后照式传感器之间差异的示意图

图2 不同系列sCMOS传感器的量子效率与入射光子波长的光谱响应曲线

像素尺寸

结论：大尺寸的像元赋予更大的感光面积，但通常会牺牲光学分辨率。科学相机的像元尺寸，也被称为“像素间距 ”，指的是传感器上的每个感光像素xy方向的宽度和高度。传感器像元面积越大，其能够收集的光子就越多。

像元尺寸大一倍，其光的收集能力的增加4倍，因此大尺寸像元是提高相机灵敏度的一个有力方法。然而，像元尺寸的增加可能以成像分辨率为代价， 至少分辨率受到光学系统的限制。更大尺寸的像素也能够容纳更多电荷，具有更高的满井电子容量，因此有更好的动态范围。

满井电子容量

结论：满井电子容量会对高动态范围或需高亮度成像的图像质量有很大的作用。满井电子容量定义了单个像素饱和前可以保持的最大充电量。对于科学相机来说，用“线性满井电子容量 ”来描述会更准确一些 , 因为不会满负荷使用存储光电子的物理容量。这是因为当每个像元开始接近其最大容量时，过多的光电子的存在会导致电荷排斥效应，从而降低像元收集其他光电子的能力，从而影响其线性度（见下一节）。虽然对非科学应用场景不是什么大问题，但这种线性损失对于科学相机来说是不可接受的。

可用的满井容量也取决于相机模式，主要它是由相机的位深度（可用灰度数）与相机增益（从电子到灰 度的转换因子，e-/灰色）的乘积所决定的，位深度和增益都可以在相机参数设置而改变。如想要获得高动态范围的成像，高的满井电子容量就变得很重要，比如在同一图像中存在很强信号和很弱信号。满井电子容量也有助于提高信噪比。然而，对需要保持低光水平的应用时，如典型的荧光显微镜，满井电子容量并不是一个重要的因素。

噪声

信噪比（SNR）是一个衡量的图像质量指标。在科学成像中，信噪比指的是接收有用信号的强度和接收干扰信号强度的比值。具体来说，它是在该像素处的接收到信号与总体接收到的噪声（帧对帧）的比率。高信噪比在精确光测量应用中为关键的指标。

信噪比

结论：信噪比（SNR）是图像质量的关键指标，反映相机信号采集和噪声性能。信噪比（SNR）是接收到灰度信号除以三个主要噪声源之和：光子发射噪声、暗电流和读取噪声。可用下式表示：

高信噪比表明图像没有因为噪声造成的失真和伪影。信噪比越高，信号越突出，图像质量越好，预期看到结果的能力也越高。此外，许多分析技术都会一个阈值来定量信噪比，低于这个阈值它们就会表现不佳。

关于理想的最小信噪比没有严格的规则，因为这通常取决于样本、分析技术和应用的需要（图3探讨了不同的信噪比及其相应的图像质量）。

图3 荧光显微镜下的信噪比比较。样品：肌动蛋白标记的BPAE固定样品载玻片。根据图样本最亮点附近3x3 像素区域的平均信号响应计算出的图像的信噪比。图片最右边的黄色方框显示了下面用于插入的区域

光子散粒噪声

光子散粒噪声是指每个光子源的光子发射随机性，包括荧光分子。由于这种随机发射，对一个恒定信号的连续测量将产生一个已知的平均值的光子计数的分布-称为泊松分布。为了测量，信号S将随√S而变化。因此，这是一个随信号而增长的噪声源，因此在高信号水平上，光 子散粒噪声将占主导地位。

读取噪声

结论：读取噪声是低光成像中的一个重要指标，但在极低光水平下的成像 ，读出噪声的影响差异较小。量子效率QE发挥着更大的作用。读取噪声是测量相机中探测信号的不确定性， 这主要由读出速度和电子设计质量决定。ccd相机传感器具有很高的读取噪声（6到10电子），工业CMOS相机会有4到10个电子读取噪声。科学CMOS相机通常大约1.0 到1.6个电子读取噪声。

量子效率和读取噪声是科学成像中的两个要考虑的超级重要的指标（图4进行了两个指标的探讨）。一个0.7e-读噪声、80% QE的相机与一个1.0e-读噪声、95% QE的相机对比，更高信噪比可以使得高QE相机在所有信号水平获得高于1光子/像素，如在低光荧光显微镜通常从10到100光电子是一个很有挑战的事情。对于更高的QE相机，对于在10个光电子以上的信号，即使将读取噪声增加到1.6e-，也会产生很好的信噪比。然而，进一步将95%QE相机的读取噪声从1.0e-降低到0.7e-对这些信号影响不大，10光子的信噪比增加2%， 100光子的信噪比增加0.2%。

图4 6个具有不同量子效率（QE）和读取噪声（r.n.）的假设传感器的信噪比与入射信号的比较。计算值， 假设暗电流可以忽略不计。顶部：绝对信噪比。底部：相对信噪比（rSNR）相比，与一个“完美的 ”理论相 机与100% QE和没有读取噪声

暗电流，冷却器的作用

结论：制冷能抑制暗电流影响，但对于100ms-1s短曝光，深度制冷sensor温度并不能显著提升暗电流的能力。但对于>1s的长曝光，对于暗电流抑制，深度制冷必不可少。

暗电流是一种热噪声， 由电子从周围的硅进入像素阱而引起，就像它们被探测到的光电子一样。在读出过程中，一个像素中的暗电流电子的平均数量由“规格表 ”中的暗电流（以电子/像素/秒为单位）D乘以t，即曝光时间。由于热电子的收集发生在随机时间，但以已知的平均速率，这是另一个泊松过程，如光子散落噪声 , 所以暗电流的实际噪声贡献由：给出

相机冷却是减少暗电流的主要手段，同时也减少了热像素（单个像素具有异常高的暗电流）。同时对暗电流的顾虑也取决于相机曝光时间。对于10ms或更少的短时间曝光，即使是高暗电流未冷却的相机也可以提供良 好的信噪比，但是对于100ms的曝光，暗电流就发挥作用了，如果未冷却的相机会大大降低其信噪比。在1s的曝光时，根据暗电流的值，未冷却的相机已无法有效成像，如下表所示。冷却程度(sensor 所达温度)并不是重要的因素，因为不同的技术和相机可以在相同的传感器温度下实现差异很大的暗电流性能。此外，读取噪声通常会对冷却相机的典型<2s曝光发挥更大的作用。下表中对此进行了探讨。

表1 上图 读取来自不同相机制造商的基于同一传感器的三台相机的噪声和暗电流比较。中间：在规定的曝 光时间内，在检测信号的10个光电子处的信噪比。底部：在规定的曝光时间内，在检测到的信号的100个光电子处的信噪比。主BSI的低读取噪声和暗电流意味着该相机在所有情况下都领先。-25 °C和-45 °C冷却之间的 差异，即使是1秒的曝光时间，也被这两个相机之间的读取噪声的差异所抵消。未冷却的相机只有100ms及以上的灵敏度的一小部分

参考：

1、Dr Louis Keal 、  Technical Note: What is Scientific Imaging Quality?  2020。

2、Atsushi Shiozaki 、New DUV Optical Wafer Inspection System 、 2003

3、Yakov Bulayev ，TDI Imaging: An Efficient AOI and AXI Tool 、 2012