ClearView 相机的帧率可控模式：优化成像与衍射的信噪比

帧率可控模式是 ClearView® 相机引入的一项新功能，在前几代 Gatan 闪烁体相机中并不存在。帧率可控模式使 ClearView 用户能够通过调整相机的帧率，尤其是在较低剂量条件下，来最大限度地提高信噪比。其结果是显著提高检测图像或衍射图案中弱或低对比度特征的能力，得到高质量的图像。本文将详细介绍了帧率可控模式的工作原理，以及如何最好地利用帧率控制来获得更佳的数据质量。

CMOS 相机的图像采集

像ClearView这样的CMOS相机能够以比过去基于CCD技术的相机高得多的帧率进行成像，这要归功于其像素架构（详细信息请参阅Imaging）。ClearView 可以以每秒50 帧（fps）的速度以全画幅 4k x 4k 的图像大小捕获图像，这是其前身 OneView® 相机的两倍。当ClearView相机采集单个 4k x 4k图像时，相机会以 50 fps 的速度对帧进行积分，直到达到用户定义的总采集时间，然后为用户输出单个图像。因此，2 秒的数据采集将产生由 100 个相机帧加和组成的单个图像。使用不同的像素并和或子区域读出选项可进一步提高帧率。通常，我们使用相机可用的最大帧速率来捕获单个图像。

在高帧率下的成像非常有用，这主要是基于一下几点原因。首先，它提供了一个实时预览的图像，该图像可以快速更新，并改善用户在使用相机搜寻品或在对准显微镜时使用摆动器时的体验。快速的相机帧率还意味着相机中的像素可以非常快速地读取其信号电荷，从而允许相机与更强的电子束一起使用，而不会使传感器中的像素信号饱和。单幅图像采集的实时漂移校正也需要采集和对齐多个帧。因此，如果没有高帧率相机，就不可能进行高质量的实时漂移校正。

以高帧率拍摄图像的一个缺点是可能会提升最终图像中的噪声信号。每个相机帧读出事件都会将一定数量的噪声引入帧中，称为读出噪声，即所有相机传感器，无论是CMOS还是CCD，都会将读出噪声引入图像中。相机集成到最终输出图像中的帧越多，数据中引入的读出噪声就越多。虽然CMOS相机的每帧读出噪声通常比CCD相机低，但它们会将更大的总噪声水平引入图像，因为它们集成了更多的帧数。在相机上有大量信号的情况下，这种噪声不是一个明显的问题，因为来自样品的信号量很大，并且相机可以在最终图像中实现高信噪比；然而，在相机上整体信号较弱的情况下，例如采集衍射图案或用低剂量电子束对电子束敏感的材料进行成像时，总积分读出噪声会对图像质量产生负面影响。

像 Metro® 或 K3® 这样的直接探测电子计数相机也具有读出噪声，但电子计数的算法可以有效地消除了这种噪声，并显著提高相机的灵敏度。ClearView和其他闪烁体相机并没有足够高的帧率来实现相同类型的电子计数算法，因此，我们为ClearView开发了帧率可控模式，作为一种降低最终采集图像中的总读出噪声的方法。

帧率可控模式下的 ClearView 图像采集

帧率可控允许 ClearView 用户减小用于图像采集的相机帧率，从而将更少的总帧数和更少的读出噪声积分到最终图像中。帧率可控可直接在DigitalMicrograph的相机面板中轻松打开和关闭。用户可以将相机帧率设置为所选图像尺寸低于帧率最大值之间的任何值，例如，4k x 4k 时为最大帧率为 50 fps，2k x 2k 时为 200 fps，全局最小帧率为 1/30 fps。启用帧率可控后，相机将以给定的帧率积分集成多个帧，直到达到总曝光时间。然而，现在用户可以为采集定义帧率。使用帧率可控在不改变总曝光时间的情况下降低相机帧率可以显著提高图像的信噪比和低对比度样品特征的可见性。

在图 2 的示例中，我们展示使用具有帧率可控模式和常规模式采集的数据的区别，针对相同 10 秒总采集时间的不同帧率，以 2k x 2k 分辨率采集标准 Au 纳米颗粒样品的衍射图。在 200 fps 的最大帧率下，可以解析图案中的许多衍射环。然而，计算衍射图的径向强度分布表明，由于积分了2,000帧，图像的背景噪声很高。将相机帧率降低到 100 fps 则衍射图案和径向强度分布中的背景噪声在视觉上都会减少。当帧率降到50 fps 时，背景噪声进一步降低，使更高分辨率的衍射峰（径向强度分布的方框区域）在噪声水平以上更加明显。

帧率可控模式也是 TEM 成像的有用工具，如图 3 所示。在此示例中，以 4k x 4k 分辨率对 FIB 切割半导体样品进行成像，在 50 fps 时总捕获时间为 2 s。这个成像条件产生了良好的结果，但当放大高亮区域时，可以看到不同图像特征的精细细节。利用帧率可控模式将帧率调整为 1 fps，再进行相同的 2 秒采集，我们进一步提高了图像质量。在比较黄色显示框中显示的区域时，该图像在完全相同的电镜条件下得到的信噪比更高，因此在1 fps图像中可以更好地解决对比度和薄界面的差异。

在 TEM采集过程中使用帧率可控模式

帧率可控模式适合在追求最高信噪比而非相机帧率和采集速度的情况下使用。在实践中，帧率可控可用于收集衍射图案、在相机上以较弱信号收集的图像（例如，剂量敏感材料的低剂量图像或暗场 TEM 图像）或任何需要较长采集时间（>10 s）的图像采集过程。

使用帧率可控模式优化信噪比需要最小化积分集成到最终图像中的总读出噪声，并最大化每帧中的信号。这是通过使用帧率可控来选择尽可能慢的帧率，而不会使单个帧读出中的像素饱和。使用内置的 DigitalMicrograph 工具可以轻松测量不同帧率下每个像素的强度，以测量感兴趣区域上图像或线轮廓上的实时直方图。ClearView 用户手册包含有关使用帧率可控模式设置图像和衍射图案采集的更多详细信息。对于衍射实验和低剂量 TEM 成像，使用<5 – 10 fps的帧率和总曝光时间 <5 秒将获得良好的结果。

总结

基于CMOS的高帧率相机（如ClearView）为透射电子显微镜带来了许多新的成像功能。不过，使用高帧率操作模式收集数据并不总是最好的。电子显微镜的专家们可以利用帧率可控模式来降低单张图像采集时的相机帧率，从而减少积分的读出噪声总量，并最大限度地提高每帧 ClearView 传感器像素的动态范围，并使用帧率可控模式优化相机和成像条件，从而获得高信噪比图像并提高查看细微图像的能力，尤其是图像和衍射图案中的低对比度特征。