高速背照式 sCMOS相机优势分析—技术与应用频道- 视觉系统设计

在对活体和动态样品进行成像时，我们最关注的就是能否在这些微小的荧光粒子高速移动时捕捉到它们，并对它们的位置进行准确地追踪，这需要采集速度尽可能的快。而采集速度受许多因素的影响：样品荧光信号的强度和稳定性，相机速度，显微系统本身的性能等等。和传统的激光扫描式共聚焦相比，转盘式共聚焦系统因其更快的速度和灵敏度，更加适用于活体样品成像。在本篇应用介绍中，我们将使用 Crest Optics X-Light V3 转盘共聚焦系统，搭配 Teledyne Photometrics 的 Prime BSI 和 Kinetix 两款背照式 sCMOS 相机进行模拟实验，为大家呈现不同采集速度的巨大差异，以及高速高灵敏度相机在动态样品成像中的显著优势。

模拟实验：荧光小球微流控成像

样品：荧光小球（直径1μm，Invitrogen F14791）

实验目的：记录荧光小球流入微流控装置（图A）的时间序列图像

系统配置：Crest Optics confocal spinning disk X-Light V3转盘（最高速度5000 fps）

Celesta光源 (Lumencor)，640nm激发

Nikon Ti2 倒置显微镜

Prime BSI 背照式 sCMOS 相机搭配 20x 物镜(Nikon, Plan Apo Lambda 0.75 NA）

Kinetix 背照式 sCMOS 相机搭配 60x 物镜(Nikon, Plan Apo Lambda 1.4 NA）

首先让我们看看不同采集速度对成像效果的影响。使用 Prime BSI相机（63fps 2048 x 2048 pixels），采用外触发模式，选取 2048×128 像素的 ROI，曝光时间0.7ms，成像速度可达每秒 969 帧。即使在平均流速 1000um/s 的高流速区域（图 2左），也能基本保证荧光小球的形状完整。相反，如果以 200 fps（转盘系统的典型最大速度）左右的低速进行成像，小球的形状就会产生明显的变形，尤其是在流速高的区域（图 3）。

图2 高速和低速采集到的荧光小球时间序列图像。上：高速采集（969 fps）；下：低速采集（193 fps）

图3 高流速(1000 um/s)区域在不同的采集速度下拍摄的单帧图像。上：高速采集（969 fps）；下：低速采集（193 fps）

通过对荧光小球球形程度 (Circularity) 的分析 (1 =circular，0 =line)，我们发现相较于 193 fps，969 fps 帧率下小球球形程度明显更趋近于 1，也就是形变更小（图4）。

969 fps

193 fps

图4 Threshold and circularity Measurements

以上数据都表明在进行活体样品成像时速度的重要性：用200fps采集时，可能会丢失样品相关信息。而以接近1000fps高速采集时，就可以对样品结构进行充分地时间序列成像。

那我们还能更快么？—— 当然可以，上 Kinetix！

接下来，我们使用 1000 万像素超高速的背照式sCMOS相机 Kinetix（500 fps 3200x3200 pixels）进行比较。使用外触发模式，选取 2720×340 像素的 ROI，0.7 ms 曝光，Kinetix 的帧率可以达到 1418 fps，对高速移动的荧光小球进行更加完美的测量和追踪（图5）。

图5 Kinetix拍摄的荧光小球时间序列图像及球形分析

和 Prime BSI 相比，Kinetix 速度和视野都有了显著的提高。在图 6 中，我们可以看到 Kinetix 视野（2720 x 340）比 BSI （2048 x 170）大一倍的情况下，帧率还能超过 BSI 的 2 倍（1418 fps vs 603 fps）。换个角度，如果固定 340 行像素的采集区域，在大致相同的视野下， Kinetix（1418 fps）的速度接近 BSI（301 fps）的 5 倍。