qCMOS vs. EM-CCD：光子计数时代的成像技术选型指南
2026-08-19 来源:本站 点击次数:75
长期以来，科学成像领域的选型规则相对固定：极弱光实验首选EM-CCD，光子充足的环境则交给sCMOS。但这一规则正在被打破。
随着CMOS工艺在噪声抑制上的突破，搭载qCMOS（定量CMOS） 传感器的相机既保留了sCMOS的高速与大视野优势，又将读出噪声压低至光子计数水平，开始向EM-CCD的传统领地延伸。本文将从传感器底层技术出发，对比两款相机在光子探测、信噪比表现及应用场景上的差异，帮助您基于实验需求做出更合理的判断。
一、从光子到数字：两种截然不同的探测路径
要理解两款相机的差异，首先需要梳理相机将光子转化为数字信号的全流程。
qCMOS的解决方案依托于精细化的CMOS电路设计，将读出噪声压至远低于单光电子信号的水平。这使得相机能够清晰分辨1、2、3……个光电子对应的输出幅度，实现真正意义上的光子数分辨（Photon Number Resolving），这是定量成像的基石。
表1 总结了本段中提到的qCMOS和EM-CCD相机的特性比较
在实际动态成像中，这种差异更为直观：qCMOS 由于无需倍增，逐帧之间的信号波动远小于EM-CCD，在需要追踪信号强度变化的实验中，定量稳定性显著更优。
二、信噪比（SNR）的比较
信噪比是评估相机探测能力的核心指标。但在对比不同像素尺寸的相机时，比较条件的设置会直接影响结论。本文从两种常见实验场景出发，采用“相对信噪比（rSNR）”进行归一化对比（基准为理想无噪声、100%量子效率、6.5 μm像素的“完美机”）。
该场景假设每台相机都搭配了针对其像素尺寸优化的光学系统。在此条件下：
该场景更贴近“固定光学系统、仅更换相机”的实际操作。由于qCMOS像素尺寸普遍小于EM-CCD，单像素接收光子更少，因此图中补充了启用像素合并（Binning）后的 qCMOS 数据，使其有效像素尺寸与EM-CCD相当。
需要特别指出：受CMOS读出架构限制，N×N合并后等效读出噪声会变为单像素的N倍。因此，若希望用qCMOS替代EM-CCD，更优策略是保持原生像素尺寸并重新匹配光学系统，而非依赖像素合并来强行对标。结论：固定光学系统下直接替换，qCMOS的单像素光通量劣势可通过重新设计光路来弥补，不建议以牺牲噪声为代价启用像素合并。
三、qCMOS的多场景适配特征
过去在极弱光成像的系统设计中，往往需要在多项指标间做取舍：追求光子计数精度，则需接受低速与动态范围压缩；扩大面阵规模，则不得不容忍更高的系统本底噪声。qCMOS在以下维度统一了这一矛盾：
四、EM-CCD当前的适用边界
在极窄的参数区间内，EM-CCD目前仍具工程合理性。
仿真数据显示，当入射光强降至0.1光子/像素/帧时，EM-CCD的理论信噪比曲线略高于qCMOS。但将该数值代入实际成像仿真后会发现：此照度下样品的结构信息已基本被噪声基底淹没，两台设备均无法输出具备解析价值的图像。
目前仍建议保留EM-CCD方案的场景相对明确：照度低于0.1光子/帧，且依赖数十秒级以上的极长曝光做信号累积。依托深度制冷，EM-CCD在极限长曝下的暗电流控制目前仍具余量。
总结
qCMOS相机融合了sCMOS的高速与大视野，以及逼近甚至超越EM-CCD的弱光探测能力，在保持定量精度的前提下，为科学成像提供了一款更具通用性的解决方案。
CMOS技术仍在快速演进，qCMOS的性能边界也将持续拓宽。我们希望通过本文的技术对比，帮助您在光子计数探测器的选型中建立更系统的评估框架，从而找到最契合自身实验需求的那一台相机。
随着CMOS工艺在噪声抑制上的突破，搭载qCMOS（定量CMOS） 传感器的相机既保留了sCMOS的高速与大视野优势，又将读出噪声压低至光子计数水平，开始向EM-CCD的传统领地延伸。本文将从传感器底层技术出发，对比两款相机在光子探测、信噪比表现及应用场景上的差异，帮助您基于实验需求做出更合理的判断。
一、从光子到数字：两种截然不同的探测路径
要理解两款相机的差异，首先需要梳理相机将光子转化为数字信号的全流程。
图1 从信号采集到数字输出的流程
入射到传感器的光子以一定量子效率转换为光电子，随后被放大、读取并经由模数转换器（ADC）输出为数字值。在这一链条中，读出噪声是决定弱光探测能力的核心瓶颈，尤其当信号微弱至单光子量级时，读出噪声的大小直接决定了信号是否能被有效识别。qCMOS的解决方案依托于精细化的CMOS电路设计，将读出噪声压至远低于单光电子信号的水平。这使得相机能够清晰分辨1、2、3……个光电子对应的输出幅度，实现真正意义上的光子数分辨（Photon Number Resolving），这是定量成像的基石。
图2 qCMOS相机中的读出过程和光子分辨
而EM-CCD则走了另一条路径。其原始读出噪声较高，但通过内置的电子倍增结构，在信号被读出前对光电子进行雪崩式放大，使放大后的信号远高于读出噪声，从而探测到单个光子事件。图3 EM-CCD中的读出过程和光子分辨（只能分辨0光子和有光子，无法分辨1/2/3/具体有几个光子）
但倍增过程会引入固有的过剩噪声（Excess Noise）——即信号幅度的随机波动。这使得即便信号被成功放大，也无法从输出值反推原始光电子数目。因此，EM-CCD虽能实现单光子探测，却牺牲了定量准确性。表1 总结了本段中提到的qCMOS和EM-CCD相机的特性比较
在实际动态成像中，这种差异更为直观：qCMOS 由于无需倍增，逐帧之间的信号波动远小于EM-CCD，在需要追踪信号强度变化的实验中，定量稳定性显著更优。
视频1 以上为实际成像案例，对比展示了qCMOS相机与EM-CCD相机的拍摄效果。
二、信噪比（SNR）的比较
信噪比是评估相机探测能力的核心指标。但在对比不同像素尺寸的相机时，比较条件的设置会直接影响结论。本文从两种常见实验场景出发，采用“相对信噪比（rSNR）”进行归一化对比（基准为理想无噪声、100%量子效率、6.5 μm像素的“完美机”）。
图4 信噪比公式
场景一：单像素接收相同光强该场景假设每台相机都搭配了针对其像素尺寸优化的光学系统。在此条件下：
- 对于CMOS系列相机（含qCMOS），读出噪声恒定，因此随着光强降低，SNR下降明显。
- 对于EM-CCD，电子倍增大幅削弱了读出噪声的影响，在极弱光下SNR下降趋缓；但倍增波动在亮光下成为主要噪声源，导致其高光强区SNR反而不及CMOS。
图5 每个像素的光强相等条件下的信噪比对比
场景二：单位传感器面积接收相同光强该场景更贴近“固定光学系统、仅更换相机”的实际操作。由于qCMOS像素尺寸普遍小于EM-CCD，单像素接收光子更少，因此图中补充了启用像素合并（Binning）后的 qCMOS 数据，使其有效像素尺寸与EM-CCD相当。
需要特别指出：受CMOS读出架构限制，N×N合并后等效读出噪声会变为单像素的N倍。因此，若希望用qCMOS替代EM-CCD，更优策略是保持原生像素尺寸并重新匹配光学系统，而非依赖像素合并来强行对标。结论：固定光学系统下直接替换，qCMOS的单像素光通量劣势可通过重新设计光路来弥补，不建议以牺牲噪声为代价启用像素合并。
图6 单位面积光强相等条件下的信噪比对比
表2 两种对比条件的适用场景总结如下三、qCMOS的多场景适配特征
过去在极弱光成像的系统设计中，往往需要在多项指标间做取舍：追求光子计数精度，则需接受低速与动态范围压缩；扩大面阵规模，则不得不容忍更高的系统本底噪声。qCMOS在以下维度统一了这一矛盾：
- 慢帧率定量成像：慢帧率定量成像光子数分辨能力，适配单分子等对定量误差极度敏感的场景
- 高帧率弱光兼顾：无需电子倍增，原生帧率显著高于EM-CCD；
- 宽动态范围保全：无电子倍增环节，满阱容量不受增益压缩，亮暗共存样本的灰阶过渡更完整；
- 大面阵宽场成像：ORCA-Quest的像素规模显著高于传统EM-CCD，可降低大视野扫描的拼图成本；
四、EM-CCD当前的适用边界
在极窄的参数区间内，EM-CCD目前仍具工程合理性。
仿真数据显示，当入射光强降至0.1光子/像素/帧时，EM-CCD的理论信噪比曲线略高于qCMOS。但将该数值代入实际成像仿真后会发现：此照度下样品的结构信息已基本被噪声基底淹没，两台设备均无法输出具备解析价值的图像。
图7 不同光强下的仿真成像对比，展示0.1光子/帧时两者实际探测能力的局限
另一个易被忽略的因素是倍增的无差别特性：理想暗场中EM-CCD画面洁净；一旦样本存在自发荧光或环境背景光，背景信号同样被同步放大，暗区颗粒度反而会显著抬升。目前仍建议保留EM-CCD方案的场景相对明确：照度低于0.1光子/帧，且依赖数十秒级以上的极长曝光做信号累积。依托深度制冷，EM-CCD在极限长曝下的暗电流控制目前仍具余量。
总结
qCMOS相机融合了sCMOS的高速与大视野，以及逼近甚至超越EM-CCD的弱光探测能力，在保持定量精度的前提下，为科学成像提供了一款更具通用性的解决方案。
CMOS技术仍在快速演进，qCMOS的性能边界也将持续拓宽。我们希望通过本文的技术对比，帮助您在光子计数探测器的选型中建立更系统的评估框架，从而找到最契合自身实验需求的那一台相机。
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