介紹

科學的 CMOS 技術在速度、噪聲性能、能源使用和傳感器尺寸等關鍵性能領域比 CCD 和 EMCCD 等以前的傳感器技術進行了改進。這使得 CMOS 技術在過去十年中在廣泛的成像應用中迅速普及。然而，當前一代 CMOS 技術在科學成像的兩個關鍵參數方面受到一定限制：動態(tài)范圍和響應線性度。這限制了需要在大范圍的可能信號強度上進行精確信號測量的應用。

然而，得益于 CMOS 讀出工藝的創(chuàng)新，LACera 技術 能夠提供無與倫比的動態(tài)范圍和線性度，并結合尖端 CMOS 技術相對于以前的傳感器設計的所有其他優(yōu)勢。

什么是動態(tài)范圍?

動態(tài)范圍是對可測量的可辨別信號電平總數的度量，由峰值信號和讀出期間引入的噪聲電平確定。當在同一采集中對明亮和暗淡的物體進行成像時，高動態(tài)范圍對于維持定量測量以及允許檢測弱信號而不使強信號飽和至關重要。

為了定義動態(tài)范圍，我們找到了飽和和線性損失(全阱容量)之前像素可以存儲的光電子總數除以讀取噪聲的比率。例如，具有 10,000 e-滿阱容量、讀取噪聲為 3 e-rms 的 CMOS 像素具有 3333 或大約 70 dB 的動態(tài)范圍。

動態(tài)范圍不等于灰度級或 ADU(模擬到數字單元)的總數。也就是說，具有 12 位模數轉換器 (ADC) 的相機(進行信號測量)不一定具有 12 位動態(tài)范圍(2^12 = 4096 個不同值)，因為尚未考慮本底噪聲。必須首先確定像素的固有動態(tài)范圍(如上所述)，然后強制 ADC 至少具有位分辨率，最好更高。

什么是線性?

對于科學成像，我們的目的通常是測量光，而不是產生美觀的圖像。這導致了科學相機與“消費類”或工業(yè)視覺相機之間的主要區(qū)別之一——它們對光響應的線性度。

當檢測到信號時，相機就會產生數字信號。許多相機用戶理所當然地認為輸入信號與輸出信號成正比，對于恒定源，增加曝光時間將導致信號成比例增加，并且相機的噪聲性能僅取決于光子散粒噪聲的信號。然而，所有這些對于進行有意義且可靠的光測量至關重要的方面實際上都是通過工程師在科學相機制造過程中的工作來之不易的。

最大的挑戰(zhàn)之一是在大動態(tài)范圍內保持良好的線性度，而這是傳統(tǒng) CMOS 相機面臨的難題。

CMOS 相機如何實現高動態(tài)范圍 (HDR)?

盡管模數轉換的位深度并不能決定相機的動態(tài)范圍，但它確實設置了上限。到目前為止，科學的 CMOS 相機只能實現12 位 ADC，這意味著我們的最大動態(tài)范圍是 4096 級，因為這是可用的灰度級或 ADU 的數量。然而，許多相機在 16 位操作中提供更高的動態(tài)范圍。這是如何實現的?

高增益和低增益放大器

盡管 ADC 表示的灰度級數有上限，通常為 12 位或 4096，但其對應的實際光電子數在相機設計期間可以自由選擇。兩者之間的關系稱為增益，通常以每灰度級的電子數(e-/grey) 來定義，但從語義上講，增益“越高”，e-/grey 的數量就越低。

高增益(將光電子中計數的信號表示為等效或更大數量的灰度級)可帶來更好的測量精度和更低的讀取噪聲，這兩者都是動態(tài)范圍的關鍵。然而，高增益也限制了可尋址的全井容量，因為相機可以尋址的最大全井容量由以下給出：

其中 Offset 是相機在零入射信號時輸出的值，通常為 100。

例如，對于增益為 0.5e-/g 的 12 位相機，最大可尋址信號約為 2000e-。較低的增益可提供較高的滿阱容量，但代價是精度和讀取噪聲較高。然而，對于足夠高的信號，光子散粒噪聲將顯著克服讀取噪聲，因此較高的讀取噪聲不會成為問題。

實現高滿阱和低讀取噪聲的答案是讀取信號兩次，一次在信號較低時以高增益讀取，一次在信號較高時以低增益讀取。以低增益測量的弱信號和以高增益測量的強信號被濾除，并輸出組合值。在使用低增益信號的情況下，該值被重新縮放，使得相機的整個動態(tài)范圍使用相同的增益值。

例如，如果我們的相機有一個 0.5e-/g 的 12 位高增益 ADC 和一個 15 e-/g 的 12 位低增益 ADC，則可以以低讀取噪聲和高精度測量低于 2000e- 的值，但我們的最大值將為 4096g x 15e-/g ≈ 60,000 e-，允許訪問高于 2000e- 的值。該像素的實際輸出被拼接成 16 位數字，其中前約 4000 個灰度級由高增益 ADC 給出，所有較高值由低增益 ADC 給出，重新調整以在整個動態(tài)范圍內提供一致的增益值 - 即，在讀出之前，所有低增益信號將乘以 15/0.5(兩個增益的比率)。

請注意確保兩個讀數之間的過渡(稱為交叉)盡可能平滑且無偽影，以確保正確測量兩個放大器之間接近或交叉的值。然而，這是以前科學 CMOS 相機線性度的主要限制，在這個交叉點經常觀察到偽影和非線性。

兩個 12 位 ADC 的缺點

兩個 12 位 ADC 測量組合的主要問題在于兩個 ADC 之間的交叉點。為了提供較寬的動態(tài)范圍，我們希望使 ADC 的增益盡可能高，從而最大限度地減少讀取噪聲。然后，我們將另一個 ADC 的增益值設置得盡可能低，直到我們處理像素的整個滿阱容量。這種情況存在兩個問題：

兩個增益值相距越遠，它們的輸出之間的重疊就越少，從而實現平滑、無偽影的交叉。在具有交叉點周圍值的圖像中以及這些圖像的直方圖中都可以看到偽影。

低增益放大器的增益越低，讀取噪聲就越高。如果讀取噪聲變得與光子散粒噪聲相似，則交叉點處的總噪聲可能會突然跳躍。這可能會導致精確增益測量困難，并可能導致圖像中出現偽影。

相機的理想情況是其動態(tài)范圍盡可能受到“散粒噪聲限制”，并且讀出噪聲的影響最小。為了獲得良好的相機性能，在交叉點，我們需要低增益放大器的讀取噪聲比光子散粒噪聲低 10 倍左右。然而，我們還需要高增益放大器來利用高增益來減少弱信號的讀取噪聲。這降低了發(fā)生交叉點的信號電平，從而降低了光子散粒噪聲。

更高位深度的ADC 將允許兩個 ADC 使用更高的增益值，這與更低的讀取噪聲一起將導致動態(tài)范圍和線性度的改進。然而，以 12 位為限制，我們的動態(tài)范圍和線性度受到限制。通過嘗試在兩者之間達成妥協，基于 12 位 ADC 的相機通常會在 ADC 交叉點處看到成像偽影。此外，交叉處的典型讀取噪聲大約等于散粒噪聲，而不是良好線性度所需的低 10 倍。

三個 12 位 ADC 的缺點

針對兩個 12 位 ADC 在動態(tài)范圍和線性度方面的限制，提出的一種解決方案是引入第三個“中等增益”ADC，從而產生介于高增益 ADC 和低增益 ADC 之間的讀取噪聲。這有助于平滑ADC 之間的轉換。

然而，中低增益 ADC 交叉仍然會出現讀取噪聲的顯著跳躍，交叉處的散粒噪聲與讀取噪聲之比通常約為 2:1，這將導致偽影。此外，這種實現更好線性度的方法實際上并沒有增加動態(tài)范圍，因為讀取本底噪聲和滿阱容量與兩個 12 位 ADC 情況相同。

然而，這還不是主要缺點。與兩個 ADC 相比，在讀出過程中添加額外的 ADC 將使相機速度降低 33% 。更重要的是，讀出會產生更多的熱量，從而導致熱噪聲增加。最后，重新設計相機像素結構以包含額外的 ADC 將帶來相當大的財務成本和工程時間。這些缺點首先削弱了采用 CMOS 技術的優(yōu)勢。

兩個 14 位 ADC 如何同時提供更好的噪聲性能、動態(tài)范圍和線性度

為了避免所有這些問題，LACera 技術采用了一種新方法來實現無與倫比的動態(tài)范圍，并結合低讀取噪聲，以滿足要求苛刻的成像應用和高速讀出的需要。

借助LACera 技術，我們專有的 ADC 結構允許在單次讀出時讀出可變位數，從 10 一直到 16 。當尋求更高的動態(tài)范圍時，LACera 能夠通過兩個 14 位測量值(而不是兩個 12 位測量值)的組合來提供18 位讀數。

通過增加位深度，可以使用更高的增益進行高增益測量，而無需犧牲整體滿阱容量。因此，除了我們專有的 ADC本質上的低噪聲之外，我們還顯著降低了CMOS 技術的讀取噪聲，從而能夠精確測量較弱的信號，并解鎖更寬的動態(tài)范圍。

憑借這種更高的位深度，我們能夠獲得高滿阱容量，而不會在兩個 ADC 之間的交叉點引入問題，從而使散粒噪聲與讀取噪聲之比達到10:1 左右的理想值。這樣可以大大改善線性度，并且不會出現兩個 12 位 ADC 情況下出現的偽影，比以前使用高動態(tài)范圍 CMOS 相機看到的效果更好。

結論

通過我們專有的可變位深度 ADC，LACera 技術能夠提供18 位讀出，其讀取噪聲低于兩個 12 位或三個 12 位 ADC 讀出，同時保持高滿井容量。此外，這種無與倫比的動態(tài)范圍與新的線性標準相結合，為 CMOS 技術提供了迄今為止最準確、最科學的檢測信號測量。

審核編輯 黃宇