科学级CMOS（sCMOS）相机：基础知识

　　介绍

　　互补金属氧化物半导体 (CMOS) 传感器是一项自 1990 年代以来一直存在的技术。早期的CMOS相机正在与更成熟的CCD技术竞争，但在1990年代和2000年代初，CMOS传感器技术得到了改进，CCD技术被超越，成为消费类数码相机的首选传感器。该技术随后得到进一步改进，以满足科学成像所必需的更高要求。

　　CMOS传感器技术与CCD传感器的不同之处在于，CMOS传感器不像CCD传感器那样将所有传感器像素都通过一个输出节点、一个放大器和一个模数转换器(ADC)馈送，而是通过每个像素上都有一个小型化电容器和放大器，每个列上都有一个ADC(如图1所示)。每个ADC同时工作，读出整个列，而不是整个传感器的单个像素。这使得该过程更快，并且比 CCD 传感器架构需要的功耗低 100 倍。

　　图 1：比较行间传输 CCD 和 sCMOS 传感器的读出架构。左： 行间传输CCD格式，其中电子从传感器转移到读出寄存器、输出节点上，放大(通过容量(C)和放大器(A))，并由ADC转换为数字灰度电平。然后将其发送到计算机。右：典型的CMOS格式，其中每个像素都有一个电容器和放大器。这意味着撞击每个像素的光子会产生电子，这些电子被转换为像素上的可读电压。来自整个色谱柱的电压被发送到ADC(其中每列有一个)，这些电压被直接发送到计算机。这使得CMOS相机在并行工作时速度要快得多。

　　sCMOS技术

　　2009年，科学CMOS(sCMOS)技术推出，sCMOS相机于2010-11年上市。sCMOS相机能够提供低噪声、高速和大视场，使sCMOS相机成为从天文学到显微镜等广泛应用的理想选择。

　　卷帘快门和全局模式

　　sCMOS传感器与CCD传感器的不同之处在于，它们通常具有卷帘快门。图像采集从传感器的顶部开始，然后逐行向下采集。这使得传感器能够以更高的帧速率和更低的读取噪声获取图像。sCMOS相机的速度与行数和行时间(即采集一行和另一行之间的时间)直接相关。

　　卷帘快门通过清除已经在一排内的电荷并测量任何新的入射光子来“打开”和“关闭”。这允许在获取帧的当前像素行(正在获取图像)和前一帧的较低像素行(正在读出的图像)之间出现重叠(图 2)。

　　图 2：示意图，指示帧的采集如何与前一帧的读出重叠。这使得sCMOS能够快速采集和读出。

　　一些sCMOS传感器可用于伪全局快门模式，以实现零失真，并可应用涉及帧间硬件变化的应用，例如顺序双通道采集。这种伪全局快门利用了控制光源触发的优势。要创建此全局快门，相机需要在黑暗条件下激活卷帘快门。然后，通过触发光源并在停止相机的同时停止光线，可以同时照亮阵列的一个区域，就像全局快门一样(如图3所示)。

　　图 3：三种主要的快门格式。大多数CCD/EMCC都具有真正的全局快门，当所有像素暴露在光线下时，可以同时读取它们。大多数sCMOS传感器都有一个卷帘快门，虽然速度快且灵敏度高(来自背照式传感器)，但可能会产生伪影。伪全局快门使用触发器来控制光源，允许在卷帘快门内使用全局快门(如果时间精确)。

　　CCD与sCMOS对比

　　CCD和sCMOS传感器架构的差异既有优点也有缺点。与CCD技术相比，sCMOS技术的一些优势如下：

　　1.低读取噪声：sCMOS的读取噪声为~1 e-，而CCD的读取噪声为5-6 e-。要了解降低读取噪声和提高灵敏度的作用，请单击此处。

　　2.高速：sCMOS可以达到高达100s fps，而CCD则为~20 fps。这是因为每列都有一个关联的ADC，因此需要处理一小部分数据。

　　3.大视场：sCMOS传感器的对角线范围为19-29 mm，而CCD的对角线范围为11-16 mm

　　4.电源效率：由于并行化，sCMOS的功耗比CCD低100倍

　　虽然sCMOS技术在许多方面优于CCD技术，但它确实有一些缺点：

　　增加的时间和固定模式噪声：当每个像素被单独读出时，会引入更多的时间和固定模式噪声。与CCD相比，sCMOS传感器具有更多的有源读出区域，这会导致这些噪声源的增加。这可以通过相机公司精心的电子设计和校准来减少。

　　卷帘快门伪影：sCMOS传感器可以使用卷帘快门来获取图像，但是，如果图像中的动态物体足够快，可以在与卷帘快门相似的时间尺度上移动，则可以引入失真效果。传感器顶行和底行之间的交错读数也会导致图像伪影和信息丢失，并显著增加某些应用的有效最短曝光时间。

　　背照式sCMOS

　　一些早期的sCMOS传感器存在背景质量和噪声问题，限制了CMOS在要求更高的应用中的使用。为了克服这个问题，需要更高的灵敏度来改进技术。2016年，背照式sCMOS问世，在不影响像素尺寸的情况下，提供95%的峰值量子效率(QE)，同时还改进了背景质量。图4显示了背照式sCMOS技术的示意图，以及一条QE曲线，显示了早期sCMOS和背照式sCMOS之间的差异。

　　图 4：前照式与后照式 sCMOS 技术。返回页首：前照式传感器(左)的QE较低，因为光线在照射到硅基板之前会散射在像素和传感器布线内。在背照式传感器(右)中，光线直接照射到传感器上，从而产生更高的 QE。底：各种前照式sCMOS技术(早期、72%和82%sCMOS)与背照式sCMOS技术(KURO的QE峰值为95%)的QE曲线比较。

　　总结

　　sCMOS传感器利用有源电路集成到单个像素中的优势。这允许单独读出每个像素。每根色谱柱上还连接了一个模数转换器，允许更高的帧速率，同时仍保持低读取噪声、大视场和高功率效率。

　　尽管由于传感器上有源电路的增加，时间噪声和固定模式噪声有所增加，但sCMOS技术在广泛的应用中仍然具有优势。

审核编辑 黄宇