當CMOS相機首次上市時，它們的成像能力對於科學和工業中的許多精確應用來說太過基礎。 然而，多年來，CMOS成像技術在效率，動態範圍，幀率和信噪比方面都有所提高，形成了科學CMOS （sCMOS）傳感器 - 而sCMOS技術仍在不斷發展。
雖然背照式電子倍增CCD（EMCCD）相機對於某些需要最低噪聲和暗電流的用途是最佳選擇，但 sCMOS技術以其更高的像素數和更低的成本可成為各種高精確的應用程式。 sCMOS器件可以在全像素或像素的矩形子集上以全局快門「快照」模式捕捉數據，並且還可以在滾動模式下操作。
安道爾技術公司（北愛爾蘭貝爾法斯特），生產sCMOS和EMCCD相機，以及前照式行間CCD，都對這些技術進行了廣泛的比較。 該公司的結論就是你所期望的 - 每種設備都有其自身的優勢（見圖1）。 1
圖1. Andor Technology公司製造的兩種Zyla相機與公司的iXon背照式電子倍增CCD（EMCCD）相比，信噪比與光子強度的比較（a）顯示EMCCD對於最低光子速率是最好的，包括單光子計數，而sCMOS接管更高（但仍然非常低）的光子速率）。 安道爾Zyla相機的量子效率（QE）針對一系列螢光粉（b）進行了優化。
「科學CMOS（sCMOS）技術由於其獨特的同時提供極低噪聲，高幀率，寬動態範圍，高量子效率和高解析度的能力，在廣泛的要求苛刻的成像應用中獲得廣泛認可。大視野，「安道爾的比較狀態。 安道爾的數據顯示，在大多數關鍵應用中，sCMOS相機的性能優於行間CCD相機。 只有EMCCD相機比sCMOS有優勢，主要用於「極低照度的應用，在相當快的幀速下要求絕對的原始靈敏度。」安道爾製造了兩款前照式sCMOS相機：空氣冷卻或水冷Zyla，以及Neo，在-40°C的真空冷卻下運行。 Zyla相機擁有4.2和5.5 M像素尺寸，適用於生命科學和物理科學應用。 量子效率（QE）針對所有螢光團進行了優化，Zyla 4.4和Zyla 5.5達到了82％。 這些器件具有0.9讀電子噪聲，水冷暗電流為0.019 e /像素/秒，動態範圍為33,000：1，並具有100幀/秒的性能，發送數據時降至53幀/秒通過USB 3.0。 由於其真空冷卻 ，5.5 Mpixel Neo相機具有0.007 e- /像素/秒的暗電流。
背照式sCMOS普林斯頓儀器公司（麻薩諸塞州阿克頓）生產背照式sCMOS照相機，稱為Kuro，可提供1200×1200和2048×2048像素解析度。 普林斯頓儀器公司的成像產品經理Mike Melle表示：「這款新一代 sCMOS相機顯著降低了前照式sCMOS相機的固定模式噪聲。 他指出，Kuro在不使用微透鏡的情況下具有100％的填充因子，根據Melle的說法，「允許從紫外到近紅外探測光子而不降低量子效率」 。
圖2.背照式sCMOS技術根據普林斯頓大學的數據顯示，在廣泛的光譜範圍內（包括紫外線）提供了非常高的QE 。
Kuro 2048B在550-600 nm波長處的QE> 95％（見圖2）和1.3 e均方根（RMS）的讀出噪聲。 該相機在全解析度下可提供42幀/秒的解析度，在1200×512像素解析度下可提供100幀/秒的速度，適用於活細胞成像等高速應用。 除了顯微鏡和螢光應用之外，Kuro相機還針對天文學中的多種用途，包括自適應光學 ， 幸運成像 ，散斑成像，系外行星搜索，追蹤近地物體以及太陽能等等。
高動態範圍Thorlabs（Newton，NJ）生產的sCMOS照相機Quantalux適用於螢光顯微鏡，夜視成像，海洋生物學，生物發光，材料檢測，多光譜成像或螢光原位雜交（FISH）等成像應用。 它具有1e-的讀取噪聲，200萬像素的1920×1080解析度以及高達50幀/秒的全傳感器幀速率。 該裝置的QE為61％，讀取噪音為1 e-。 傳感器和電子元件採用2.38×1.88×2.78英寸的外殼封裝，為傳感器提供被動熱量管理，以便在不使用冷卻風扇或熱電冷卻器的情況下將暗電流的增加降至最低。
「在低光成像條件下，相機必須產生足夠大的信號來克服噪聲，以獲得可辨別的圖像，」Thorlabs Scientific Imaging的首席技術專家兼共同經理Ash Prabala說。 「當在相對較短的曝光期間收集到相對較少的信號光子時，讀噪聲是噪聲的主要來源。 在這些條件下，人們尋找低噪音的敏感相機：具有更高QE和更低讀噪聲的相機是最理想的。 在低光照條件下（所有其他條件相同），具有更高QE與讀取噪聲比的相機將產生更高的信噪比（SNR ）。「
Prabala指出，科學成像中的一個常見問題涉及在昏暗的背景下對明亮的特徵進行成像。 「如果相機沒有足夠大的動態範圍，飽和度和地板限制將限制同時捕捉明亮和暗淡的細節，」他解釋說。 「憑藉Quantalux相機高達87 dB的動態範圍，單次曝光可同時收集明亮，中等和昏暗物體的足夠對比度。 我們與加拿大阿爾伯塔省卡爾加裡大學的Craig Brideau合作，用含有硫代黃素S染色的澱粉樣蛋白斑的約20μm厚的5xFAD小鼠切片證明了這一點（見圖3）。「
圖3.屏幕截圖（a）顯示了由單色Quantalux sCMOS相機捕獲的未處理圖像。 該樣品是厚約20μm的5xFAD小鼠切片，其具有用硫磺素S染色的澱粉樣斑塊。使用具有水的20X，0.75NA浸沒物鏡在65ms曝光下獲得圖像，校正所使用的＃1.5蓋玻片。 然後調整原始數據的圖像對比度（b）以突出澱粉樣斑塊核心細節; 然而，包括原纖維和細胞在內的背景仍然是隱藏的。 進一步的對比度調整（c）突出了樣品中的原纖維，導致原始圖像中的斑塊核心細節飽和。 最後，最大化背景對比度顯示附近的細胞體和細胞核用於細胞計數（d）; 然而，對比度調整使纖絲和斑塊核心飽和。 （由 加拿大 艾伯塔卡爾加裡大學Craig Brideau提供 ）
Ximea（德國Münster）是另一家生產CCD和sCMOS相機的公司 - sCMOS傳感器被熱電冷卻到-20°C。
「關於sCMOS，Gpixel是我們的傳感器的主要供應商，它非常適用於低光照，高能物理，x射線斷層攝影，能量色散直接x射線探測，天文學，顯微鏡等等，」 Ximea的銷售工程師Kevin Toerne。 他指出，光子匱乏和/或需要長時間集成的應用將會受益。
Ximea的xiJ相機系列包括一個4.2 Mpixel型號（GSENSE2020BSI背照式傳感器），讀取噪音為2e-。 背光照明提供95％的QE水平，可以檢測非常微弱的輻射，傳感器的低溫有助於長時間曝光，Toerne 解釋說。
「所有這些都與高速CMOS技術相結合，可以快速讀出40幀/秒和更快的速度。 該攝像機還通過為每個像素使用雙放大器提供了大動態範圍，「他補充說，動態範圍，高靈敏度和快速讀出功能使攝像機非常適合空間碎片追蹤等應用，以更好地預測軌道周期。
sCMOS擅長顯微鏡 相關公司Photometrics（亞利桑那州圖森）和QImaging（加拿大卑詩省薩裡）提供CCD，EM CCD和
sCMOS相機進行生命科學研究，並對各種相機類型進行了比較。 2這兩家公司的CMOS相機分為兩個產品系列，Prime和Iris系列，如應用程式團隊經理 Daniel Croucher所述。
Prime sCMOS是一款前照式相機，具有72％QE，6.5μm像素，100幀/秒速度，4.2 M像素（2048×2048）和18.8 mm對角線視野。 Prime BSI是Prime sCMOS的背照式版本，將QE提升至95％。 它有63幀/秒的速度。 Prime 95B也具有背照式（95％QE），但與其他規格中的Prime sCMOS和BSI不同：11μm像素，82幀/秒速度，1.44 M像素（1200×1200）和18.66 mm對角線場看法。
「巔峰sCMOS可用於廣泛的螢光顯微鏡應用，從高光到弱光，如寬場成像，光片顯微鏡，細胞成像，微流控和鈣成像，」Croucher說，「但它會在非常弱光。 Prime Prime BSI是Prime sCMOS的下一步，因為量子效率從72％提高到95％，而無需改變其他規格。 這意味著相機具有更高的靈敏度，因此可為低光成像應用提供更高的性能。「
Prime CBS的靈敏度更高，可用於超解析度定位顯微鏡（PALM，STORM，DNA-PAINT），單分子成像，旋轉盤共焦和TIRF顯微鏡。 「Prime 95B也是背照式的，但像素尺寸比BSI更大（11μm）。 這使得它更加敏感，並成為EMCCD的替代品，「他說。 「該相機專為最低光照應用而設計，是旋轉盤共聚焦顯微鏡，TIRF顯微鏡，超解析度定位顯微鏡（PALM，STORM，DNA-PAINT），SIM超分辨顯微鏡和單分子成像的首選。」
Iris系列CMOS相機的QE為73％，像素為4.25μm，速度為 30幀/秒。 Iris 9具有9 M像素（2968×2968）和17.8 mm對角線視野，而Iri 15具有 15 M像素（5056×2968）和25 mm對角線視野。
「相機的真正優勢來自較小的像素尺寸 （4.25μm），適用於更高解析度的成像，更適合較低放大倍數的目標，」Croucher說。 「另一個主要優勢是Iris 15提供了大量的視野。」這兩款Iris相機的應用領域大部分是相同的螢光，多色螢光，光學顯微鏡，細胞成像，微流控和高內涵sc reening。
紐約大學醫學院（紐約，紐約）的Eli Rothenberg實驗室專注於研究實時和納米級生物分子和過程的新型光學方法（見圖4）。 3成像複製DNA的挑戰之一是細胞核內有許多標記成分擠在一起，以及需要清晰解析的非常小的成分。
圖4. U2OS細胞的這三幅圖像由紐約大學醫學院的研究人員使用Photometrics背照式sCMOS照相機以150X放大倍數（配置的像素尺寸為73nm）使用最大似然估計（MLE）重構拍攝單點擴散函數擬合算法。 （由紐約大學醫學院的Eli Rothenberg提供 ）
研究人員從EMCCD技術轉移到Prime 95B背照式sCMOS照相機。 「對於單分子定位成像，最重要的是我們如何將每個單分子點擴散函數擬合到其質心坐標中的重建過程，」研究人員Yandong Yin說，他指出超過90％的Photometrics相機中的像素屬於非常嚴格的噪音分布。
另一種類型的低光CMOSPhotonis公司（Mérignac，法國Mérignac，位於麻薩諸塞州Sturbridge的美國辦事處）製造的低照度CMOS相機中的傳感器與sCMOS工業中許多其他公司使用的傳感器不同，因為許多公司使用相同的傳感器源，根據Photonis的國際營銷經理Margaret Cooley說。 「我們的傳感器是我們專有的，」 他指出。
「技術上存在顯著差異，最顯著的像素尺寸：[標準] sCMOS為6.5μm，Photonis傳感器為9.7μm，」Cooley說。 「我們的傳感器在弱光條件下非常有用，其中傳感器需要寬帶響應 - 我們覆蓋350-1100 nm。」這使得Photonis傳感器對於使用紅外照明檢測的日夜監控更有用，她解釋說 ，科學應用。
「但是，我們目前正在研究內窺鏡技術，其中可以使用更小的纖維導向器（因此，更小的切口）; 在低光照條件下的極端靈敏度仍然可以提供明顯的細節，並且不需要冷卻，「Cooley說，雖然她確實注意到傳感器的尺寸（1280×1024像素）和標準視頻幀速率（50/60 Hz）不要使傳感器適用於幀數在數秒鐘內的超解析度螢光應用。
Photonis的彩色夜攝相機包含專有的KAMELEON傳感器，幀頻為100 Hz，讀取噪聲為4 e-。