知识课堂|sCMOS相机可编程快门模式解析

sCMOS相机凭借高灵敏度、高动态、低读出噪声特性，成为生命科学成像领域的核心设备。在光片荧光显微镜LSFM成像应用中，传统卷帘快门的时序限制可能引发运动伪影或光片照明不均匀问题。可编程快门模式通过精确控制传感器曝光时序，实现与激光扫描振镜的高效同步，提升动态成像质量。

可编程快门模式原理

普通卷帘快门的曝光与读出按行顺序逐行进行，导致不同行之间存在时间差，如图1。光片显微镜中，若激光扫描速度与快门时序不同步，可能引发照明位置偏移，如图2。

图1

图2

为实现与光片显微镜振镜的高精度时序配合，sCMOS科学相机在普通卷帘快门模式基础上添加了额外的延迟步骤，形成了可编程快门模式。该模式通过引入延迟时间（delay），调整相邻行曝光起始点的间隔，使激光光片与传感器感光行的位置同步，这其中有两个关键参数需要设置：1.激光扫描速度；2.激光光片宽度。

1.激光扫描速度：即单位时间内激光光片在样品内的移动距离。

由上述可编程快门模式的时序图可知，每一行与上一行差一个延迟时间。所以为了让每次激光光片与待曝光的行之间的位置关系固定，要求延迟时间内激光扫描过的距离刚好等于1行，如视频1。

                                                          视频1

经过一个延迟时间delay后，第一行和第二行与激光光片的位置关系完全相同，后续周期性重复即可，如图3。

图3

图4

图5

以典型参数（像元尺寸6.5μm×6.5μm，line_time=11.2μs，delay=4）为例，扫描速度需为：v=6.5 μm /4×11.2 μs =0.145 m/s

若扫描速度偏离理论值，则一个延迟时间delay后激光光片中心与下一行待感光区域不重合，影响下一行的成像。继续扫描累积误差会越来越大，甚至会出现下一行感光区域未被激光光片照亮的情况，如视频2。

                                                          视频2

2.激光光片宽度：

在科学成像过程中，可能出现多行同时曝光的情况。如果激光光片宽度太窄，则不能将同时曝光的行全部照亮。所以要求激光光片宽度需满足两个条件，一是宽度至少要覆盖最大同时曝光的行数；二是在最多行同时曝光时间内，激光光片宽度需保证这些行持续被照亮。综合以上两个条件可得公式：

激光光片宽度 ≥ 最大同时曝光行数 + 最多行同时曝光时间激光扫描速度

最多行同时曝光时间与延迟时间相关，且最多行同时曝光时间 ≤ 延迟时间。由于激光扫描速度 = 1 行 / 延迟时间，因此最多行同时曝光时间激光扫描速度 ≤ 1 行，进而可得激光光片宽度的限制条件：激光光片宽度 ≥ ceil(曝光时间/延迟时间)+1。

图6

例如，当曝光时间=8×line_time、delay=4时，最大同时曝光行数为2行，则光片宽度需至少覆盖3行，如图6上；当曝光时间=9×line_time、delay=2时，最大同时曝光行数为5行，则光片宽度需至少覆盖6行，如图6下。

可编程快门模式总结

可编程快门模式通过精确调控sCMOS相机的曝光时序，解决了光片显微镜中照明与检测的同步难题。核心参数设计逻辑为：

• 速度匹配：激光扫描速度需与传感器行曝光间隔严格同步

• 宽度适配：光片宽度需覆盖动态曝光区域

正确设置上述参数，能够有效发挥sCMOS相机可编程快门模式的优势，为超分辨率成像领域活体样本的长时间观测提供技术保障。