科學(xué)級(jí)CMOS（sCMOS）相機(jī)：基礎(chǔ)知識(shí)

介紹

互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 傳感器是一項(xiàng)自 1990 年代以來(lái)一直存在的技術(shù)。早期的CMOS相機(jī)正在與更成熟的CCD技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，但在1990年代和2000年代初，CMOS傳感器技術(shù)得到了改進(jìn)，CCD技術(shù)被超越，成為消費(fèi)類數(shù)碼相機(jī)的首選傳感器。該技術(shù)隨后得到進(jìn)一步改進(jìn)，以滿足科學(xué)成像所必需的更高要求。

CMOS傳感器技術(shù)與CCD傳感器的不同之處在于，CMOS傳感器不像CCD傳感器那樣將所有傳感器像素都通過(guò)一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)、一個(gè)放大器和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)饋送，而是通過(guò)每個(gè)像素上都有一個(gè)小型化電容器和放大器，每個(gè)列上都有一個(gè)ADC(如圖1所示)。每個(gè)ADC同時(shí)工作，讀出整個(gè)列，而不是整個(gè)傳感器的單個(gè)像素。這使得該過(guò)程更快，并且比 CCD 傳感器架構(gòu)需要的功耗低 100 倍。

圖 1：比較行間傳輸 CCD 和 sCMOS 傳感器的讀出架構(gòu)。左： 行間傳輸CCD格式，其中電子從傳感器轉(zhuǎn)移到讀出寄存器、輸出節(jié)點(diǎn)上，放大(通過(guò)容量(C)和放大器(A))，并由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字灰度電平。然后將其發(fā)送到計(jì)算機(jī)。右：典型的CMOS格式，其中每個(gè)像素都有一個(gè)電容器和放大器。這意味著撞擊每個(gè)像素的光子會(huì)產(chǎn)生電子，這些電子被轉(zhuǎn)換為像素上的可讀電壓。來(lái)自整個(gè)色譜柱的電壓被發(fā)送到ADC(其中每列有一個(gè))，這些電壓被直接發(fā)送到計(jì)算機(jī)。這使得CMOS相機(jī)在并行工作時(shí)速度要快得多。

sCMOS技術(shù)

2009年，科學(xué)CMOS(sCMOS)技術(shù)推出，sCMOS相機(jī)于2010-11年上市。sCMOS相機(jī)能夠提供低噪聲、高速和大視場(chǎng)，使sCMOS相機(jī)成為從天文學(xué)到顯微鏡等廣泛應(yīng)用的理想選擇。

卷簾快門和全局模式

sCMOS傳感器與CCD傳感器的不同之處在于，它們通常具有卷簾快門。圖像采集從傳感器的頂部開(kāi)始，然后逐行向下采集。這使得傳感器能夠以更高的幀速率和更低的讀取噪聲獲取圖像。sCMOS相機(jī)的速度與行數(shù)和行時(shí)間(即采集一行和另一行之間的時(shí)間)直接相關(guān)。

卷簾快門通過(guò)清除已經(jīng)在一排內(nèi)的電荷并測(cè)量任何新的入射光子來(lái)“打開(kāi)”和“關(guān)閉”。這允許在獲取幀的當(dāng)前像素行(正在獲取圖像)和前一幀的較低像素行(正在讀出的圖像)之間出現(xiàn)重疊(圖 2)。

圖 2：示意圖，指示幀的采集如何與前一幀的讀出重疊。這使得sCMOS能夠快速采集和讀出。

一些sCMOS傳感器可用于偽全局快門模式，以實(shí)現(xiàn)零失真，并可應(yīng)用涉及幀間硬件變化的應(yīng)用，例如順序雙通道采集。這種偽全局快門利用了控制光源觸發(fā)的優(yōu)勢(shì)。要?jiǎng)?chuàng)建此全局快門，相機(jī)需要在黑暗條件下激活卷簾快門。然后，通過(guò)觸發(fā)光源并在停止相機(jī)的同時(shí)停止光線，可以同時(shí)照亮陣列的一個(gè)區(qū)域，就像全局快門一樣(如圖3所示)。

圖 3：三種主要的快門格式。大多數(shù)CCD/EMCC都具有真正的全局快門，當(dāng)所有像素暴露在光線下時(shí)，可以同時(shí)讀取它們。大多數(shù)sCMOS傳感器都有一個(gè)卷簾快門，雖然速度快且靈敏度高(來(lái)自背照式傳感器)，但可能會(huì)產(chǎn)生偽影。偽全局快門使用觸發(fā)器來(lái)控制光源，允許在卷簾快門內(nèi)使用全局快門(如果時(shí)間精確)。

CCD與sCMOS對(duì)比

CCD和sCMOS傳感器架構(gòu)的差異既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。與CCD技術(shù)相比，sCMOS技術(shù)的一些優(yōu)勢(shì)如下：

1.低讀取噪聲：sCMOS的讀取噪聲為~1 e-，而CCD的讀取噪聲為5-6 e-。要了解降低讀取噪聲和提高靈敏度的作用，請(qǐng)單擊此處。

2.高速：sCMOS可以達(dá)到高達(dá)100s fps，而CCD則為~20 fps。這是因?yàn)槊苛卸加幸粋€(gè)關(guān)聯(lián)的ADC，因此需要處理一小部分?jǐn)?shù)據(jù)。

3.大視場(chǎng)：sCMOS傳感器的對(duì)角線范圍為19-29 mm，而CCD的對(duì)角線范圍為11-16 mm

4.電源效率：由于并行化，sCMOS的功耗比CCD低100倍

雖然sCMOS技術(shù)在許多方面優(yōu)于CCD技術(shù)，但它確實(shí)有一些缺點(diǎn)：

增加的時(shí)間和固定模式噪聲：當(dāng)每個(gè)像素被單獨(dú)讀出時(shí)，會(huì)引入更多的時(shí)間和固定模式噪聲。與CCD相比，sCMOS傳感器具有更多的有源讀出區(qū)域，這會(huì)導(dǎo)致這些噪聲源的增加。這可以通過(guò)相機(jī)公司精心的電子設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)來(lái)減少。

卷簾快門偽影：sCMOS傳感器可以使用卷簾快門來(lái)獲取圖像，但是，如果圖像中的動(dòng)態(tài)物體足夠快，可以在與卷簾快門相似的時(shí)間尺度上移動(dòng)，則可以引入失真效果。傳感器頂行和底行之間的交錯(cuò)讀數(shù)也會(huì)導(dǎo)致圖像偽影和信息丟失，并顯著增加某些應(yīng)用的有效最短曝光時(shí)間。

背照式sCMOS

一些早期的sCMOS傳感器存在背景質(zhì)量和噪聲問(wèn)題，限制了CMOS在要求更高的應(yīng)用中的使用。為了克服這個(gè)問(wèn)題，需要更高的靈敏度來(lái)改進(jìn)技術(shù)。2016年，背照式sCMOS問(wèn)世，在不影響像素尺寸的情況下，提供95%的峰值量子效率(QE)，同時(shí)還改進(jìn)了背景質(zhì)量。圖4顯示了背照式sCMOS技術(shù)的示意圖，以及一條QE曲線，顯示了早期sCMOS和背照式sCMOS之間的差異。

圖 4：前照式與后照式 sCMOS 技術(shù)。返回頁(yè)首：前照式傳感器(左)的QE較低，因?yàn)楣饩€在照射到硅基板之前會(huì)散射在像素和傳感器布線內(nèi)。在背照式傳感器(右)中，光線直接照射到傳感器上，從而產(chǎn)生更高的 QE。底：各種前照式sCMOS技術(shù)(早期、72%和82%sCMOS)與背照式sCMOS技術(shù)(KURO的QE峰值為95%)的QE曲線比較。

總結(jié)

sCMOS傳感器利用有源電路集成到單個(gè)像素中的優(yōu)勢(shì)。這允許單獨(dú)讀出每個(gè)像素。每根色譜柱上還連接了一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，允許更高的幀速率，同時(shí)仍保持低讀取噪聲、大視場(chǎng)和高功率效率。

盡管由于傳感器上有源電路的增加，時(shí)間噪聲和固定模式噪聲有所增加，但sCMOS技術(shù)在廣泛的應(yīng)用中仍然具有優(yōu)勢(shì)。

審核編輯 黃宇