新型传感器相机：sCMOS.docVIP

全新的sCMOS科学相机 德国PCO公司近期全新推出的sCMOS相机PCO.edge，采用自主研发的sCMOS芯片。该相机同时兼顾了科学相机所追求的性能： 高分辨率高速高量子效率低噪声高动态范围当前所有流行的主流视觉芯片（CCD、CMOS、EMCCD等）由于芯片技术限制，都不得不在以上四个参数中取舍，无法做到兼顾。因此，基于这些芯片的传统科研相机往往无法单独满足客户要求，而且对于一些要求苛刻的特殊领域望尘莫及。现在，sCMOS芯片的出现开始解决这些问题 什么是sCMOS? sCMOS是PCO公司与其他公司联合开发的科学CMOS芯片，避除了传统CMOS芯片高暗电流、高读出噪声、低填充因数和一致性差等缺点，继承了CMOS高速、低消耗等优点，为图像视觉领域带来了新的曙光。 以下是sCMOS芯片与传统芯片的性能比较：参数 Interline CCDEMCCD sCMOS 像素 1.3 to 4 M 0.25 to 1 M 5.5 M 像元 6.45 to 7.4μm 8 to 16 (m 6.5 (m 全帧速 4 -10 e- 30 fps 100 fps 读出噪声 3 to 16 frames/s 1 e- (with EM gain) 2 e- @ 100 fps 1.4e @ 30fps 量子效率 65% 65% (FI) / 90% (BI) ~ 57% (FI) 动态范围 ~ 3,000:1 @ 11 fps ~ 8500:1 @ 30 fps with low EM gain1 22000:1 @ 30 fps 乘性噪声 无 1.41x with EM gain (effectively halves the QE) 无 1 在高EM增益下，EMCCD的增益远小于8500:1 sCMOS VS Interline CCD (2Kx2K) sCMOS芯片在不同分辨率及不同电子快门下的帧速表： Array Size (H x V) Rolling Shutter (frames/s) Global Shutter (frames/s) 2560 x 2160 (full frame) 100 50 1920 x 1080 200 100 1280 x 1024 210 105 640 x 480 450 225 320 x 240 900 450 可以取代EMCCD的sCMOS相机 sCMOS相机具有EMCCD相同的噪声等级，使得EMCCD的低噪声优势几近丧失。sCMOS相机的高性能决定了其可以替代EMCCD的在绝大部分应用领域。 EMCCD的缺陷有下述几点： EMCCD的放大机制有效地将读出噪声降至1e-以下，但同时也引入了另一个噪声源——乘性噪声。这将明显地增加信号的散粒噪声（RMS），因数为1.41， 这将导致像元与像元之间以及帧幅与帧幅之间微光信号的变化性。乘性噪声的净效应是获取的图像的信噪比降低，在一定程度上认为芯片的量子效率（QE）会从两个方面减少。例如，一个量子效率增强型背光EMCCD原本的QE是90%，当考虑到乘性噪声时，其QE减少到了45%。 EMCCD有限的动态范围也是要考虑的因素。对于大像元（13 to 16μm）sCMOS相对EMCCD的优势芯片不需要随时间进行线性校准 无需深度制冷来减少增益噪声 增加增益值时不会降低动态范围 无EMCCD普遍存在的芯片老化问题SCMOS构造 芯片元信号的顶部和底部分别采用独立的输出，即双输出，输出后信号被双列放大（一路低增益、一路高增益），并分别进行AD转换。这种设计旨在将读出噪声降到最小，同时将动态范围做到最高。 双栏放大/ADC对，采用分立的增益设置，最终信号是高增益和低增益两个通道的信号的重组，这样就可以从很小的芯片元获得高动态范围。 针扎光电二极管技术，每个像元有5个晶体管（5T design），使得新颖的global shutter模式、相关双采样（CDS）和侧翼的抗饱和沟道得以应用。 在芯片的像元上采用了微透镜技术，最大程度上收集有效光信号（类似于interline CCD的微透镜技术）。 采用真正的相关双采样技术（CDS）获得低噪声和极低的读出噪声。非线性度小于1%，跟进一步在校准将会达到小于0.2%。 芯片的抗饱和性能大于10000:1 (像元过饱和后电荷不会泄露到临近像元中去)。