科学 CMOS 动态范围新突破

Scientific CMOS 技术在速度、噪声性能、能耗和传感器尺寸等关键性能领域相比 CCD 和 EMCCD 等先前传感器技术有所改进。

Scientific CMOS 技术在速度、噪声性能、能耗和传感器尺寸等关键性能领域相比 CCD 和 EMCCD 等先前传感器技术有所改进。这导致 CMOS 技术在过去十年中迅速普及到广泛的成像应用中。然而，当前一代 CMOS 技术在科学成像的两个关键参数上有所限制：动态范围和响应线性度。这限制了需要在较大可能信号强度范围内进行精确信号测量的应用。

然而，得益于 CMOS 读出过程的创新，LACera Technology 能够提供无与伦比的动态范围和线性度，并结合尖端 CMOS 技术相对于先前传感器设计的所有其他优势。

动态范围是可测量的可分辨信号级别总数的度量，由峰值信号和读出过程中引入的噪声水平决定。在同一次采集中成像亮目标和暗目标时，高动态范围对于保持定量测量以及允许检测弱信号而不使强信号饱和至关重要。

要定义动态范围，我们求像素在饱和和线性度丧失之前可存储的光电子总数（满阱容量），除以读出噪声。例如，满阱容量为 10,000 e-、读出噪声为 3 e- rms 的 CMOS 像素，其动态范围为 3333 或约 70 dB。

动态范围不等于灰度级总数或 ADU（analogue-to-digital units）。也就是说，信号测量发生的 12 位 Analogue to Digital Converter（ADC）相机不一定具有 12 位动态范围（2^12 = 4096 个不同值），因为尚未考虑噪声底。必须首先按上述方法确定像素的固有动态范围，然后确保 ADC 至少具有该位分辨率， 优选更高。

对于科学成像，我们的意图通常是测量光，而非产生美观的图像。这导致科学相机与消费级或工业视觉相机之间的主要差异之一——它们对光的响应线性度。

当检测到信号时，相机会产生数字信号。许多相机用户理所当然地认为输入信号与输出信号成正比，增加曝光时间会导致恒定源的成比例信号增加，且相机的噪声性能仅因光子散粒噪声而取决于信号。然而，对于进行有意义且可靠的光测量至关重要的所有这些方面，实际上都是通过工程师在科学相机制造过程中的努力才艰难获得的。

最大的挑战之一是在大动态范围上保持良好的线性度——这是传统 CMOS 相机所难以应对的。

尽管模数转换的位深并不决定相机具有何种动态范围，但它确实对其施加了上限。迄今为止 Scientific CMOS 相机只能实现 12 位 ADC，意味着我们的最大动态范围为 4096 级，因为这是可用的灰度级或 ADU 数量。然而，许多相机在 16 位运行下提供更高的动态范围。这是如何实现的？

尽管 ADC 所代表的灰度级数量有上限（通常为 12 位或 4096），但其所对应的光电子实际数量在相机设计期间可自由选择。两者之间的关系称为 Gain，通常定义为 electrons per grey scale（e-/grey），尽管语义上 gain 越高，e-/grey 数量越低。

高 gain 下，以光电子计数的信号被表示为等效或更多的灰度级，这带来更好的测量精度和更低的读出噪声，两者都是动态范围的关键。然而，高 gain 也限制了可寻址的满阱容量，因为相机可寻址的最大满阱容量由下式给出：

其中 Offset 是相机在零入射信号时输出的值，通常为 100。

例如，对于 gain 为 0.5 e-/g 的 12 位相机，最大可寻址信号约为 2000 e-。低 gain 可访问更高的满阱容量，代价是精度降低和读出噪声升高。然而，对于足够高的信号，光子散粒噪声将显著超过读出噪声，因此更高的读出噪声不成问题。

要同时实现高满阱和低读出噪声，答案是对信号读取两次——一次以高 gain 以防信号较低，一次以低 gain 以防信号较高。以低 gain 测量的弱信号和以高 gain 测量的强信号被滤除，并输出组合值。在使用低 gain 信号的情况下，对该值进行重新缩放，使相机的整个动态范围使用相同的 gain 值。

例如，若我们的相机具有 0.5 e-/g 的 12 位 high-gain ADC 和 15 e-/g 的 12 位 low-gain ADC，2000 e- 以下的值可以低读出噪声和高精度测量，但我们的最大值将是 4096 g × 15 e-/g ≈ 60,000 e-，允许访问 2000 e- 以上。该像素的实际输出被拼接成 16 位数，其中前约 4000 个灰度级由 high-gain ADC 给出，所有更高值由 low-gain ADC 给出，重新缩放以在整个动态范围上提供一致的 gain 值——即所有低 gain 信号在读出前乘以 15/0.5，即两个 gain 的比值。

需特别注意确保两次读出之间的过渡（称为 cross-over）尽可能平滑且无伪影，以确保接近或处于两个放大器 cross-over 之间的值被正确测量。然而，这是先前 Scientific CMOS 相机线性度的主要限制，在 cross-over 点频繁观察到伪影和非线性。

两个 12 位 ADC 测量组合的主要问题出现在两个 ADC 之间的 cross-over 点。要提供宽动态范围，我们希望使一个 ADC 的 gain 尽可能高，以最小化读出噪声。然后我们将另一个 ADC 的 gain 值尽可能低，直至寻址像素的整个满阱容量。这种情况存在两个问题：

相机的理想情况是尽可能多地使其动态范围处于“散粒噪声限制”，读出噪声贡献最小。为获得良好的相机性能，在 cross-over 点我们需要 low-gain amplifier 的读出噪声约为光子散粒噪声的 1/10。然而，我们还需要 high-gain amplifier 使用高 gain 以降低弱信号的读出噪声。这降低了 cross-over 点发生的信号水平，从而降低了光子散粒噪声。

更高位深的 ADC 将允许两个 ADC 都使用更高的 gain 值，结合更低的读出噪声将带来动态范围和线性度的改进。然而，以 12 位为上限，我们的动态范围和线性度受到限制。通过在两者之间寻求折中，基于 12 位 ADC 的相机通常会在 ADC cross-over 点出现成像伪影。此外，cross-over 处的典型读出噪声约等于散粒噪声，而非良好线性度所需的 1/10。

针对两个 12 位 ADC 在动态范围和线性度上的限制，一种提出的解决方案是引入第三个“medium-gain”ADC，其产生的读出噪声介于 high- 和 low-gain ADC 之间。这有助于平滑 ADC 之间的过渡。

然而，medium-to-low gain ADC cross-over 仍将存在读出噪声的显著跳变，cross-over 处散粒噪声与读出噪声之比通常约为 2:1，这将导致伪影。此外，这种实现更好线性度的方法实际上并未增加动态范围，因为读出噪声底和满阱容量与两个 12 位 ADC 情况相同。

然而，这甚至不是主要缺点。向读出过程添加额外 ADC 将使相机速度相比两个 ADC 降低 33%。此外，readout 将产生更多热量，导致热噪声增加。最后，重新设计相机 pixel structure 以包含额外 ADC 将引入可观的财务成本和工程时间。这些缺点减少了最初转向 CMOS 技术的优势。

为避免所有这些问题，LACera technology 使用实现无与伦比动态范围的新方法，结合苛刻成像应用所需的低读出噪声和高速读出。

借助 LACera technology，我们的专有 ADC 结构允许 readout 在单次读出中具有从 10 一直到 16 的可变位数。在寻求更高动态范围时，LACera 能够通过两个 14 位测量而非两个 12 位测量提供 18 位 readout。

通过增加位深，high-gain 测量可使用更高的 gain 而不牺牲整体满阱容量。结合我们专有 ADC 的固有低噪声，我们因此显著降低了 CMOS 技术的读出噪声，实现对更弱信号的准确测量，并解锁更宽的动态范围。

借助这一更高位深，我们能够访问高满阱容量而不在两个 ADC cross-over 点引入问题，散粒噪声与读出噪声之比达到理想值约 10:1。这带来大幅改进的线性度，无两个 12 位 ADC 情况所见的伪影，优于 High Dynamic Range CMOS 相机以往所见的任何水平。

通过我们专有的可变位深 ADC，LACera technology 能够提供 18 位读出，读出噪声低于两个 12 位或三个 12 位 ADC 读出，同时保持高满阱容量。此外，这一无与伦比的动态范围结合了线性度的新标准，提供 CMOS 技术迄今所见最准确和科学的检测信号测量。

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