信噪比

人的指纹是各自不同的，通过指纹识别，便可以找到特定的那一个人。而在微观世界中，分子也是拥有自己独特的“指纹”的。红外光具有在特定波长被吸收的特性，该特定波长由分子固有的振动能决定。利用此特性可以识别每个分子，因此红外光的光谱范围通常被称为分子的“指纹区”，并被广泛用于分析光谱学中。 其中，傅里叶红外光谱仪（FTIR）是红外光谱分析中一种重要的光谱仪类型，发展自20世纪70年代，属于第三代红外光谱仪技术。由于可以快速、准确的进行多组分的定量和定性分析，FTIR被看看作是医药、食品、农业和化工等领域中实现质量控制的理想工具。 典型的FTIR工作示意进入FTIR光谱仪的红外光由光学干涉仪中的分束器分成两束。这两个光束分别被固定镜和可移动镜反射，并被分束器重新组合。然后，光被红外检测器检测为光学干涉信号。根据可移动反射镜的位置信息和根据光学干涉信号强度按可移动反射镜位置分布的信息，来执行傅立叶变换以计算每个波长的红外光强度，从而分析样品的成分。 不过，虽然性能棒棒，本领超凡，但FTIR却有一个关于自己“体型”的“烦恼”，那就是：真！的！太！笨！重！了！作为一个“精贵的月半子”，FTIR几乎只能止步于实验室中。面对应用场景中出现的在线检测、快速移动等需求，只能无奈说一句“臣妾做不到”了。 之所以传统的FTIR光谱仪体积非常大，主要是其中的核心部分——光学干涉仪占据了非常大的空间。虽然业界中也一直在推进小型化的工作，也推出了一些有助于缩小整机体积的内部FITR光谱组件产品。但体积的缩小，往往会带来入射光量和光能量损失的问题，许多产品也是在牺牲了灵敏度、信噪比等性能下实现的小型化。若想解决这个问题，内部元件、光路的创新性设计，以及提高工艺水平都是关键。 经过精心重构光学干涉仪的设计思路，并采用always独特的MOEMS技术，滨松成功开发出了一款高性能的微型化FTIR引擎。迈克尔逊光谱干涉仪和控制电路统统内置其中，仅手掌大小，却实现了在1.1-2.5 μm区域超高的灵敏度，具有远超同类产品的高信噪比表现（10000:1），以及高光谱重现性。可内置于便携式FTIR仪器中，实现整机小型化的同时，也可保证高性能的实现。 滨松新型FTIR引擎C15511-01左：FTIR引擎结构图右：内置在FTIR中的光学干涉仪结构图 这个FTIR引擎内部到底是有什么样的乾，什么样的坤，才实现了这样的性能的呢？下面我们来看看吧！ 1、高灵敏度&高信噪比 上文我们也提到，入射光量和光能量的损失是小型化FTIR灵敏度和信噪比下降的一个重要因素。采用MOEMS技术，滨松开发出了一个直径3 mm的微型可移动反射镜，克服了缩小干涉仪尺寸而又不减少入射光量的挑战。这是信噪比得以提升的关键。 我们还通过先进的封装技术，将可移动反射镜和固定镜直接键合在一起，从而成功地将镜与镜之间的相对角度误差减小了约0.01度。光程差控制更加精确，灵敏度则得到提高。此外，还优化了移动反射镜的驱动器结构和驱动方法，以消除驱动反射镜时出现的模糊，抑制了红外光在光学干涉仪中的扩散，进一步减少了光损失。 当然，体积也进一步得到了缩小，57×49×76 mm，这样的体型仅仅是一般台式仪器的1/100。 2、高光谱重现性 一般的FTIR光谱仪基于干涉光（光学干涉信号）和可移动镜的位置信息执行傅立叶变换，以计算每个波长的红外光强度。而新FTIR引擎利用半导体激光器，可以精确地检测可移动反射镜的位置，增强了测量结果的可重复性。 除了硬件设施外，为了更加方便使用。滨松还开发了与该产品相匹配的软件，用于设置测量条件，获取数据和显示数据图。 评估软件 为了满足进一步的市场需求，滨松此后也将持续提高FTIR引擎性能，进一步减小其尺寸，以及将光谱响应扩展到更长的波长区域，敬请期待~

p 　　作为拉曼光谱实验与测量当中的关键参数，信噪比决定了拉曼系统的探测极限和总体的信息内容，通常是比原始信号更为重要的仪器性能指标。在许多实际应用中，信噪比的定义也对实验设计有着重要影响。 /p p 　　那么，拉曼光谱的信噪比该如何定义?测量过程中有哪些注意事项?中国科学院半导体研究所谭平恒研究员特别分享了《拉曼光谱信噪比的定义和测量》。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 453px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/547c4937-a01d-4caf-bcba-3cffab6a3e2d.jpg" title=" 01.png" alt=" 01.png" width=" 600" height=" 453" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 449px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/9bca64bf-d4ce-4678-8c48-2f4b4ad22054.jpg" title=" 02.png" alt=" 02.png" width=" 600" height=" 449" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 452px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/cbf5dd18-4042-4962-8399-e2a4fe3e596a.jpg" title=" 03.png" alt=" 03.png" width=" 600" height=" 452" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 452px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/3d1d7799-a1f0-4fbb-b947-d7ef67c38fd2.jpg" title=" 04.png" alt=" 04.png" width=" 600" height=" 452" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 450px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/d3be5022-7a44-4a68-8d2f-07c3a33d7576.jpg" title=" 05.png" alt=" 05.png" width=" 600" height=" 450" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 449px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/380ff854-43ff-41f8-99e1-bf5e66a7d79d.jpg" title=" 06.png" alt=" 06.png" width=" 600" height=" 449" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 450px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/260486b8-c00b-491e-a0aa-995036bbd19d.jpg" title=" 07.png" alt=" 07.png" width=" 600" height=" 450" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 452px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/41210871-0e00-4890-bf33-572f4b1e9c46.jpg" title=" 08.png" alt=" 08.png" width=" 600" height=" 452" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 451px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/1a8d5cbd-bb7d-4e20-8d3a-0f4412565b1c.jpg" title=" 09.png" alt=" 09.png" width=" 600" height=" 451" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 453px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/ae3b7ec9-9e97-476f-b191-1bb896ba59b5.jpg" title=" 10.png" alt=" 10.png" width=" 600" height=" 453" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 452px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/05f9e298-efe4-4844-9998-b628b7aa8050.jpg" title=" 11.png" alt=" 11.png" width=" 600" height=" 452" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 451px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/ddfad1f5-68b1-49fd-b964-7fcbfe9a03f2.jpg" title=" 12.png" alt=" 12.png" width=" 600" height=" 451" border=" 0" vspace=" 0" / /p p span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 　　特别声明：此文中内容为中国科学院半导体研究所谭平恒研究员编写，仪器信息网获授权发布，未经作者同意请勿转载或以其他任何形式使用。 /span /p

2018年11月1日，滨松全球同步发布了一款最新的高速、高灵敏、定量sCMOS相机——ORCA-Fusion。冠以了“ORCA”的名号，当然也继承了家族的优良“基因”。承袭前辈ORCA-Flash 4.0，ORCA-Fusion拥有着一如既往的高帧速： 100帧/秒 @470万像素 89.1帧/秒 @530万像素 此外，最为突出的，则是此次在ORCA-Fusion上得以大幅提升的信噪比： 最低0.7e(rms)读出噪声 QE/读出噪声比值高至1.14如何炼成优秀的图像质量？ 图像质量是成像中的一个核心关注点，可以通过两个概念予以评价——分辨率和信噪比。ORCA-Fusion具有530万像素（2304x2304），配合6.5um的像素尺寸，可以提供非常出色的分辨率。而信噪比方面要怎样做到提升呢？ 关于相机成像的信噪比，主要与4个因素相关： （1）样品信号的强度和显微镜物镜等光学系统对信号的收集能力； （2）曝光时间，一般而言，延长曝光时间会带来信噪比的上升，但会牺牲帧速； （3）量子效率； （4）读出噪声。从相机的角度，量子效率与读出噪声分别对应了信号与噪声，其比值越高，信噪比也就越高。完美的定量相机（Quantitative Camera）一直是滨松孜孜不倦追求的方向，而信噪比的不断提升则是其中的核心——在保证高量子效率的同时，ORCA-Fusion在噪声控制上精耕细作，将读出噪声降低至0.7e rms/0.6e median这样的水平，使得QE/读出噪声比值提升至1.33。这也使得ORCA-Fusion一经面世，就超过之前所有的sCMOS相机前辈，一跃领先。而不同于许多同类产品降低帧速以保障信噪比的做法，滨松不仅做到了行业巅峰的信噪比，在速度上也绝不妥协，ORCA-Fusion的像素读出频率高达470MHz，在2304x2048（470万像素）这样的分辨率下能够做到100帧/秒，选择合适大小的ROI甚至能将帧速提升至41000帧/秒。 以下为新鲜出炉的样片：继续定义“高帧速” 除了信噪比，帧速在许多成像应用（如lightsheet）中也至关重要。上文提到了，ORCA-Fusion作为滨松系列科研相机ORCA家族的新成员，继承了优良“基因”，维持令业界欣羡的高帧速特性。 像素读出速度（即全幅帧速 x 像素数目）高达470MHz，相对CCD相机时代常见的20MHz自然不能同日而语，即使是比主流高端sCMOS相机的420MHz（100帧/秒 @ 2048x2048）也提升了12%。 ORCA-Fusion的全幅帧速为89.1帧/秒 @ 2304x2304；选取合适的ROI（如2304x2048）时能够获得更高的帧速（如100帧/秒）。另外由于Fusion本身具有的高速性能，彻底摒弃了传统sCMOS从两边读出的方式，改掉了ROI开窗位置不同帧速就不同的老毛病，率先做到了“从一而终”的读出方式。一方面，实现了任意位置取相同大小的ROI，帧速均相同；另一方面，大大提高了Lightsheet模式的读出速度。 高分辨率，看清更深处的细节 以上这张图就出自ORCA-fusion，在分辨率提升至2304×2304（530万像素）后，图像变得更加清晰，细节也得以更好的体现。 我们再来看看下面的图片，对同样视野大小拍摄的荧光小球，放大后可以看到更突出的细节，比市面上的背照式sCMOS相机清晰度高出一倍。此外，ORCA-fusion还在一些细节上进行了完善。如为更加方便支撑结构的使用和设计，整体机身的重量降至了1.2kg。