科學級 CMOS (sCMOS) 相機：基礎知識

介紹

　　互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 感測器是一項自 20 世紀 90 年代以來就已經出現的技術。早期的 CMOS 相機與更成熟的 CCD 技術競爭，但在 20 世紀 90 年代和 2000 年代初，CMOS 感測器技術得到改進，CCD 技術被超越，成為消費數位相機的首選感測器。該技術隨後得到進一步改進，以滿足科學成像所需的更高要求。

CMOS 感測器技術與CCD 感測器的不同之處在於，CMOS 感測器不像CCD 感測器那樣透過一個輸出節點、一個放大器和一個類比數位轉換器(ADC) 為所有感測器像素提供訊號，而是在每個感測器像素上都有一個小型化電容器和放大器。每個 ADC 同時工作，讀出整個列，而不是整個感測器的單一像素。這使得處理速度更快，並且所需功耗比 CCD 感測器架構低 100 倍。

圖 1：比較行間傳輸 CCD 和 sCMOS 感測器的讀出架構。左圖：行間傳輸 CCD 格式，其中電子從感測器傳輸到讀出暫存器，再傳輸到輸出節點，進行放大（透過電容器 (C) 和放大器 (A)），並由 ADC 轉換為數位灰階。然後將其發送到計算機。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。整列的電壓被送到 ADC（每列一個），然後直接送到電腦。這使得 CMOS 相機在並行工作時速度更快。

　　CMOS技術

　　2009年，科學CMOS (sCMOS)技術推出，sCMOS相機於2010-11年上市。 sCMOS 相機具有低雜訊、高速度和大視野的特點，使其成為從天文學到顯微鏡等廣泛應用的理想選擇。

　　捲動快門和全域模式

　　sCMOS 感測器與 CCD 感測器的不同之處在於它們通常具有捲簾快門。影像擷取從感測器頂部開始，逐行向下進行。這使得感測器能夠以更高的幀速率和更低的讀取雜訊擷取影像。 sCMOS 相機的速度與線數和線路時間（即擷取一條線與另一條線之間的時間）直接相關。

捲簾快門透過清除行內已有的電荷並測量任何新的傳入光子來「打開」和「關閉」。這使得所擷取影格（正在擷取的影像）中的目前像素行與前一幀（正在讀取的影像）中的下像素行之間發生重疊（圖 2）。

圖 2：示意圖顯示影格的擷取如何與前一幀的讀出重疊。這使得 sCMOS 能夠快速擷取和讀出。

一些 sCMOS 感測器可以在偽全域快門模式下使用，以實現零失真並支援涉及幀之間硬體變更的應用，例如順序雙通道擷取。這種偽全域快門利用了光源觸發的控制。為了創建這種全局快門，相機需要在黑暗條件下啟動捲簾快門。然後，透過觸發光源並在停止相機的同時停止光照，可以同時照亮陣列的某個區域，就像全域快門一樣（如圖3所示）。

圖 3：三種主要快門格式。大多數 CCD/EMCC 具有真正的全域快門，允許所有像素在曝光時同時讀取。大多數 sCMOS 感測器都具有捲簾快門，雖然快速且靈敏（來自背照式感測器），但可能會產生偽影。偽全域快門使用觸發器來控制光源，允許在捲簾快門內使用全域快門（如果定時精確）。

　　CCD與sCMOS的比較

CCD 和 sCMOS 感測器架構的差異既有優點也有缺點。 sCMOS 技術相對於 CCD 技術的一些優點如下：

1. 低讀取雜訊：sCMOS 的讀取雜訊約為 1 e-，而 CCD 的讀取雜訊為 5-6 e-。若要了解減少讀取雜訊和提高靈敏度的作用，請按一下此處。

2. 高速度：sCMOS 最高可達 100s fps，而 CCD 約為 20 fps。這是因為每一列都有一個關聯的 ADC，因此需要處理一小部分資料。

3.大視場：sCMOS感測器的對角線範圍為19-29毫米，而CCD的對角線範圍為11-16毫米

4.功率效率：由於並行化，sCMOS的耗電量比CCD低100倍

雖然 sCMOS 技術在許多方面優於 CCD 技術，但它也有一些缺點：

增加時間和固定模式雜訊：當單獨讀出每個像素時，會引入更多時間和固定模式雜訊。與 CCD 相比，sCMOS 感測器具有更大的有效讀出區域，這導致這些雜訊源增加。相機公司可以透過仔細的電子設計和校準來減少這種情況。

捲簾快門偽影：sCMOS 感光元件可以使用捲簾快門來取得影像，但如果影像中的動態物體速度夠快，可以在與捲簾快門類似的時間尺度上移動，則可能會引入失真效應。感測器頂行和底行之間的交錯讀出也會導致影像偽影和資訊遺失，並顯著增加某些應用的有效最小曝光時間。

　　背照式 sCMOS

　　一些早期的 sCMOS 感測器存在背景品質和雜訊問題，限制了 CMOS 在要求更高的應用中的使用。為了克服這個問題，需要改進技術以提高靈敏度。 2016 年，推出背照式 sCMOS，在不影響像素尺寸的情況下提供 95% 峰值量子效率 (QE)，同時也提高了背景品質。圖 4 顯示了背照式 sCMOS 技術的示意圖，以及顯示早期 sCMOS 和背照式 sCMOS 之間差異的 QE 曲線。

圖 4：前照式 sCMOS 技術與背照式 sCMOS 技術。上圖：前照式感測器（左）的 QE 較低，因為光在照射到矽基板之前會在像素和感測器佈線內散射。在背照式感光元件（右）中，光線直接照射感光元件，產生更高的 QE。底部：各種前照式 sCMOS 技術（早期的 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 感測器利用將主動電路整合到各個像素中的優勢。這允許單獨讀出每個像素。每列還附有一個類比數位轉換器，可實現更高的幀速率，同時仍保持低讀取雜訊、大視場和高功率效率。

儘管由於感測器上主動電路的增加導致時間雜訊和固定模式雜訊增加，但 sCMOS 技術在廣泛的應用中仍具有優勢。