介紹

互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 傳感器是一項自 1990 年代以來一直存在的技術。早期的CMOS相機正在與更成熟的CCD技術競爭，但在1990年代和2000年代初，CMOS傳感器技術得到了改進，CCD技術被超越，成為消費類數碼相機的首選傳感器。該技術隨后得到進一步改進，以滿足科學成像所必需的更高要求。

CMOS傳感器技術與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一個輸出節點、一個放大器和一個模數轉換器(ADC)饋送，而是通過每個像素上都有一個小型化電容器和放大器，每個列上都有一個ADC(如圖1所示)。每個ADC同時工作，讀出整個列，而不是整個傳感器的單個像素。這使得該過程更快，并且比 CCD 傳感器架構需要的功耗低 100 倍。

圖 1：比較行間傳輸 CCD 和 sCMOS 傳感器的讀出架構。左： 行間傳輸CCD格式，其中電子從傳感器轉移到讀出寄存器、輸出節點上，放大(通過容量(C)和放大器(A))，并由ADC轉換為數字灰度電平。然后將其發送到計算機。右：典型的CMOS格式，其中每個像素都有一個電容器和放大器。這意味著撞擊每個像素的光子會產生電子，這些電子被轉換為像素上的可讀電壓。來自整個色譜柱的電壓被發送到ADC(其中每列有一個)，這些電壓被直接發送到計算機。這使得CMOS相機在并行工作時速度要快得多。

sCMOS技術

2009年，科學CMOS(sCMOS)技術推出，sCMOS相機于2010-11年上市。sCMOS相機能夠提供低噪聲、高速和大視場，使sCMOS相機成為從天文學到顯微鏡等廣泛應用的理想選擇。

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相機的速度與行數和行時間(即采集一行和另一行之間的時間)直接相關。

卷簾快門通過清除已經在一排內的電荷并測量任何新的入射光子來“打開”和“關閉”。這允許在獲取幀的當前像素行(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，以實現零失真，并可應用涉及幀間硬件變化的應用，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的優勢。要創建此全局快門，相機需要在黑暗條件下激活卷簾快門。然后，通過觸發光源并在停止相機的同時停止光線，可以同時照亮陣列的一個區域，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CCD/EMCC都具有真正的全局快門，當所有像素暴露在光線下時，可以同時讀取它們。大多數sCMOS傳感器都有一個卷簾快門，雖然速度快且靈敏度高(來自背照式傳感器)，但可能會產生偽影。偽全局快門使用觸發器來控制光源，允許在卷簾快門內使用全局快門(如果時間精確)。

CCD與sCMOS對比

CCD和sCMOS傳感器架構的差異既有優點也有缺點。與CCD技術相比，sCMOS技術的一些優勢如下：

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，請單擊此處。

2.高速：sCMOS可以達到高達100s fps，而CCD則為~20 fps。這是因為每列都有一個關聯的ADC，因此需要處理一小部分數據。

3.大視場：sCMOS傳感器的對角線范圍為19-29 mm，而CCD的對角線范圍為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技術在許多方面優于CCD技術，但它確實有一些缺點：

增加的時間和固定模式噪聲：當每個像素被單獨讀出時，會引入更多的時間和固定模式噪聲。與CCD相比，sCMOS傳感器具有更多的有源讀出區域，這會導致這些噪聲源的增加。這可以通過相機公司精心的電子設計和校準來減少。

卷簾快門偽影：sCMOS傳感器可以使用卷簾快門來獲取圖像，但是，如果圖像中的動態物體足夠快，可以在與卷簾快門相似的時間尺度上移動，則可以引入失真效果。傳感器頂行和底行之間的交錯讀數也會導致圖像偽影和信息丟失，并顯著增加某些應用的有效最短曝光時間。

背照式sCMOS

一些早期的sCMOS傳感器存在背景質量和噪聲問題，限制了CMOS在要求更高的應用中的使用。為了克服這個問題，需要更高的靈敏度來改進技術。2016年，背照式sCMOS問世，在不影響像素尺寸的情況下，提供95%的峰值量子效率(QE)，同時還改進了背景質量。圖4顯示了背照式sCMOS技術的示意圖，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。返回頁首：前照式傳感器(左)的QE較低，因為光線在照射到硅基板之前會散射在像素和傳感器布線內。在背照式傳感器(右)中，光線直接照射到傳感器上，從而產生更高的 QE。底：各種前照式sCMOS技術(早期、72%和82%sCMOS)與背照式sCMOS技術(KURO的QE峰值為95%)的QE曲線比較。

總結

sCMOS傳感器利用有源電路集成到單個像素中的優勢。這允許單獨讀出每個像素。每根色譜柱上還連接了一個模數轉換器，允許更高的幀速率，同時仍保持低讀取噪聲、大視場和高功率效率。

盡管由于傳感器上有源電路的增加，時間噪聲和固定模式噪聲有所增加，但sCMOS技術在廣泛的應用中仍然具有優勢。

審核編輯 黃宇