信号が非常に小さいサンプルを撮像することができるか？

本ガイドの対象者 :

顕微鏡カメラを使用している、またはこれから使用したいと考えている研究者の方

本ガイドの内容 :

カメラのスペックと実験との関連性について説明します。

セクション :

仕様の表記について :

浜松ホトニクス	他メーカーの表記
量子効率	Quantum efficiency
読み出しノイズ	Read noise
暗電流	Dark current

カメラのスペックはそのカメラが試料を正確に撮影できるかどうかの目安になりますが、画質は試料の質に左右されます (CMで「実際の結果は異なる場合があります」とよく言われるように) 。このため、カメラの感度を知るには量子効率 (QE) とカメラノイズの組み合わせが最適な指標になります。

量子効率とは？

QEは、センサによってどれだけの光子が電子に変換されたかを示す指標です。QEはカメラセンサの素材と設計の関数であり、検出される光の波長に依存します。カメラの仕様書では、QEは特定の波長で光子が電子に変換される割合、つまり検出される割合として示され、メーカーは通常、波長ごとのQE情報を提供しています。

一般にQEが高いほど感度が高く、信号を検出する可能性が高くなります。

EMCCDのQEとeQE

EM-CCDはQEが高いから本当に高感度だと誤解されがちです。しかし、画素での光子の光電子への変換が高くても、EM-CCDカメラでは増倍過程（衝撃電離）があるため、余分なノイズ要因が加わり、実質的なQEが低くなってしまいます。

EMノイズファクターの起源は、信号増幅過程の確率的性質にある。この技術的な詳細についてはこちらで紹介していますが、簡単にまとめると、EMノイズファクターは、スペクトル全体のQEを実質的に50%低下させます。この低減は、Huangら¹が独自に観測し、文献で指摘しています。彼らは、EM-CCDの低い読み出しノイズが、最低光量領域でのみ有利であることを見出しています。

カメラノイズとは？

カメラノイズとは、カメラによってもたらされるノイズのことです。主に、読み出しノイズと暗電流ノイズの2つの要素で構成されています。

読み出しノイズ

読み出しノイズとは、画素内の光電子をデジタル数値に変換する際に発生する全てのノイズ源を指す言葉である。読み出しノイズの大部分は、光電子がアンプで電圧信号に変換されるときに発生し、一部はアナログからデジタルへの変換時に発生します。

信号が少ないときには、読み出しノイズのレベルを下げることが特に重要であり、カメラ設計者の仕事の一つは、センサの性能と読み出しと信号中の読み出しノイズのバランスをとりながら、システム全体を最適化することです。

読み出しノイズは通常、電子として現れ、信号の波長の影響を受けません。しかし、信号は光子として始まり、光子から光電子への変換は波長に依存するため、ノイズのスペックが似ていてQEが異なる2つのカメラを比較する場合、読み出しノイズを電子の値から光子の値に変換することが重要である。QEが高く、電子の読み出しノイズが同等であれば、QEの高いカメラの方が光子の読み出しノイズが小さくなり、より暗い信号の撮影が可能であることを示します。

最後に、読み出しノイズの仕様について、その仕様が中央値 (median) なのか、rms (root mean squared) 値なのかを確認してください。読み出しノイズのmedianは一般的にrmsよりも低いので、カタログに記載する仕様として魅力的です。また、読み出しノイズが画素ごとに大きく変化しないCCDの場合はmedianの値を記載しても大きな問題にはなりません。しかし、CMOSチップは光電子から電圧への変換が各画素で並列に行われるため、画素ごとに読み出しノイズが異なるという特徴があります。このため、読み出しノイズのmedianよりもrmsの方が、より意味のある指標となります。

暗電流ノイズ

暗電流ノイズ (ダークノイズ) とは、画素内で光に依存せずに熱的に発生する電子の数の統計的なばらつきのことで、光子でいうショットノイズに相当するノイズ要素です。暗電流ノイズは暗電流から算出されます。

\[ 暗電流ノイズ=\sqrt{\mathstrut (暗電流)(露光時間)} \]

暗電流は温度依存性があり、暗電流ノイズも同様であるため、センサの温度が低いほど暗電流ノイズは小さくなります。ほとんどの生物学的実験では、5分未満の露光時間では暗電流ノイズは無視できます。

暗電流ノイズは一般的に無視できるため、カメラからの主なノイズ成分として考慮する必要があるのは読み出しノイズです。

まとめ :

カメラの「感度」を理解するためには、読み出しノイズとQEという2つのスペックが必要です。
EM-CCDカメラがEMモードで動作する場合、実効QE（eQE）はスペクトル全体で半分に減少する。
QEは信号の波長に依存しますが、読み出しノイズはそうではありません。
CCDカメラでは、rms read noiseとmedian read noiseは非常に近い値ですが、sCMOSカメラではrms read noiseのみが情報量の多い指標となります。
QEと読み出しノイズは、カメラの感度を評価する際に、サンプルや実験の質問の文脈で、一緒に考慮する必要があります。例えば、次のような場合です：
- 2つの薄暗い信号の違いを見る必要があるのか？
- コントラストが低い明るい信号の違いを確認する必要があるか？
暗電流とそれに関連する暗電流ノイズは、生物学的実験における一般的な露光時間では無視できるものです。

参考文献

Huang, F. et al. Video-rate nanoscopy using sCMOS camera-specific, single-molecule localization algorithms. Nat. Methods 10, 653–658 (2013).
Moran, U., Phillips, R. & Milo, R. SnapShot: Key Numbers in Biology. Cell 141, 1262–3 (2010).

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