圖 1.典型的前照式 CCD/sCMOS 傳感器(左)在外觀上是反射性的，而背照式傳感器(右)則顯得較暗。

概述

微光科學(xué)相機(jī)是從量子成像到天文學(xué)等許多革命性發(fā)現(xiàn)的背后。五十多年來，CCD 相機(jī)及其變體 -電子倍增 CCD (EMCCD)和增強(qiáng)型 CCD (ICCD)相機(jī) - 提供了科學(xué)成像和光譜應(yīng)用所需的單光子靈敏度和適中的幀速率。

最近，能夠?qū)崿F(xiàn)低讀取噪聲和更高幀速率的科學(xué) CMOS (sCMOS)相機(jī)在多種應(yīng)用中已成為 CCD 相機(jī)的替代品。然而，第一代sCMOS 器件由于其前照式架構(gòu)而導(dǎo)致靈敏度不足，這對其量子效率(即每個像素中檢測到的入射光子的比例)施加了根本限制。

借助最新的 CMOS 制造技術(shù)，最終可以使用背照式傳感器架構(gòu)創(chuàng)建 sCMOS 器件。因此，sCMOS 傳感器現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)類似 CCD 的量子效率(>95%) 和動態(tài)范圍，而不會影響其眾所周知的低讀取噪聲和高幀速率。

最新一代 sCMOS 相機(jī)(例如Princeton Instruments 的KURO?)充分利用了背照式傳感器技術(shù)，比上一代前照式 sCMOS 相機(jī)有了顯著改進(jìn)。

背照式 sCMOS 相機(jī)技術(shù)是光學(xué)探測器的有力競爭者，適用于多種應(yīng)用，包括高光譜成像、天文學(xué)、冷原子成像、量子成像、熒光光譜和高速光譜。本技術(shù)說明將介紹新技術(shù)的顯著特點(diǎn)和性能特征。

背照式架構(gòu)

背照式技術(shù)多年來一直用于科學(xué) CCD 探測器。由于背照式探測器在更寬的光譜區(qū)域(深紫外到近紅外)具有更高的靈敏度，因此在天文學(xué)、拉曼光譜和生物成像等超低光應(yīng)用中，背照式探測器比前照式探測器更受青睞。前照式和背照式傳感器之間的差異一目了然。前照式傳感器在外觀上是反射性的，因?yàn)榇蟛糠秩肷涔舛紩瓷浠赜^察者，而背照式傳感器由于吸收了大部分入射光而顯得更暗(參見圖 1)。

KURO 采用背照式傳感器架構(gòu)，就像現(xiàn)有最靈敏的 CCD 探測器一樣。背照式技術(shù)使這款新型 sCMOS 相機(jī)系統(tǒng)能夠提供>95% 的量子效率和100% 的填充因子(見圖 2)。

圖 2.背照式 sCMOS 技術(shù)在包括紫外線在內(nèi)的寬光譜范圍內(nèi)提供比前照式 sCMOS 傳感器更高的量子效率。

由于前照式 sCMOS 傳感器的每個像素內(nèi)都有讀出/轉(zhuǎn)換電路，因此每個像素中只有一部分對光敏感。這部分被稱為像素的“填充因子”。大多數(shù)前照式 sCMOS 傳感器在每個像素頂部都有微透鏡，可將入射光重新聚焦到像素的感光部分并增加有效填充系數(shù)(見圖 3)。

盡管微透鏡有助于提高前照式傳感器的光收集效率，但它們也存在某些缺點(diǎn)，限制了大多數(shù) sCMOS 相機(jī)的性能。請注意，與聲稱峰值量子效率約為 80% 的前照式 sCMOS 傳感器不同，背照式 sCMOS 傳感器不使用任何微透鏡。

圖 3.典型的前照式 sCMOS 傳感器架構(gòu)(左)依賴于微透鏡的使用。背照式 sCMOS 傳感器(右)不使用微透鏡。

不幸的是，只有當(dāng)光的入射角垂直于傳感器表面時，微透鏡才最有效(見圖 4)。如果光以任何其他角度進(jìn)入傳感器，就像大多數(shù)科學(xué)成像和光譜應(yīng)用的情況一樣，微透鏡的功效會大大降低 - 特別是在更寬的入射角(顯微鏡用語中的“高數(shù)值孔徑”)下。

雖然這種量子效率與入射角的關(guān)系并未在相機(jī)或傳感器制造商的文獻(xiàn)中廣泛發(fā)表，但當(dāng)需要超低光性能時，這種退化才是令人擔(dān)憂的真正原因。盡管各個 CMOS 制造商已經(jīng)改進(jìn)了微透鏡的布局，但光響應(yīng)的角度依賴性會導(dǎo)致不均勻性，尤其是在傳感器的邊緣。

圖 4.前照式 sCMOS 傳感器通常依賴于微透鏡，當(dāng)光以除垂直于傳感器表面的任何角度入射時，微透鏡會顯著降低量子效率。新型背照式 sCMOS 傳感器不會出現(xiàn)這種性能限制。

此外，這些微透鏡通常由類似塑料的材料制成，在紫外線范圍(低于 400 nm)內(nèi)傳輸非常差或根本不傳輸。背照式 sCMOS 傳感器架構(gòu)中缺少微透鏡，這意味著在紫外線范圍內(nèi)具有出色的響應(yīng)(見圖 2 和 4)。

高幀速率和低讀取噪聲

背照式 sCMOS 相機(jī)(例如 KURO)提供非常高的幀速率，在全 1200 x 1200 分辨率下高達(dá) 82 fps，并且具有極低的1.3 e-rms(中值)讀取噪聲。 KURO 相機(jī)每秒能夠以較低的分辨率傳輸數(shù)百幀(參見表 1)。盡管 sCMOS 傳感器通常不支持片上合并，但它們確實(shí)允許在幀采集后進(jìn)行“片外”軟件合并。

表 1.低讀取噪聲和高幀速率使新型背照式 sCMOS 相機(jī)成為高速光譜應(yīng)用的理想選擇。

值得注意的是，新型背照式 sCMOS 傳感器的11 μm 2像素間距比其他 sCMOS 傳感器捕獲的光子多 2.8 倍。每個像素還可以處理80,000 個電子的大滿阱，從而實(shí)現(xiàn)出色的動態(tài)范圍(61,500:1 或 95 dB)。

減少固定模式噪聲

KURO 背照式相機(jī)采用最新的 sCMOS 制造技術(shù)以及優(yōu)化的電子器件。因此，它的噪聲分布明顯優(yōu)于任何前照式 sCMOS 相機(jī)(見圖 5)。

100 幀平均前照式 背照式 sCMOS 相機(jī)sCMOS 相機(jī)

圖 5.固定模式噪聲：前照式 sCMOS 傳感器(左)與背照式 sCMOS 傳感器(右)。

傳感器比較

表 2 簡單總結(jié)了與前照式sCMOS 和最近推出的背照式sCMOS 傳感器相關(guān)的幾個關(guān)鍵規(guī)格和性能。

表 2.前照式 sCMOS 和背照式 sCMOS 傳感器的比較。

讀出模式：滾動快門和全局快門

CMOS 傳感器的主要特性之一是滾動電子快門模式的可用性。這與全局快門或“快照”模式不同，后者同時曝光所有像素。當(dāng)物體需要及時“凍結(jié)”時，優(yōu)先全局快門;然而，與卷簾快門模式相比，此模式通常會導(dǎo)致讀取噪聲增加1.5 至 2 倍，同時幀速率降低 2 倍。

在卷簾快門模式下，傳感器的第一行首先曝光，第二行在一行讀取時間后曝光，依此類推。換句話說，傳感器的最后一行在第一行之后的“(N-1) x 行時間”處曝光。當(dāng)查看發(fā)生速度明顯快于幀速率的高速事件時，這可能會導(dǎo)致圖像偽影，但只要幀速率足夠高，大多數(shù)科學(xué)應(yīng)用程序都可以使用卷簾快門模式。另一方面，全局快門模式更適合被檢查物體快速移動的工業(yè)成像應(yīng)用。

先進(jìn)的相機(jī)設(shè)計(jì)，例如 KURO 的設(shè)計(jì)，提供了一種觸發(fā)外部光源/快門的方法，從而創(chuàng)建“偽”全局快門模式。為此，相機(jī)只需輸出一個TTL 信號，該信號在“所有”像素曝光時變高。實(shí)際上，這將導(dǎo)致像素在事件被照亮?xí)r拍攝該事件的快照。圖 6 顯示了KURO 相機(jī)的卷簾快門和“偽”全局快門模式的時序圖。

圖 6.卷簾快門和“偽”全局快門模式的時序圖。

哪種傳感器技術(shù)：CCD、EMCCD、ICCD 或背照式 sCMOS?

科學(xué)家和工程師應(yīng)該仔細(xì)考慮哪種傳感器技術(shù)最適合他們的應(yīng)用。一般來說，對于需要延長積分時間(秒到小時)的成像或光譜應(yīng)用，CCD 或 EMCCD 相機(jī)仍然是優(yōu)先。對于需要片上裝箱的光譜應(yīng)用也是如此。

同時，對于需要超快門控的時間分辨應(yīng)用，增強(qiáng)型相機(jī)(ICCD 或 emICCD)是比較好選擇。背照式 sCMOS 相機(jī)以相對較短的集成時間(小于 10 秒)提供所有其他應(yīng)用所需的靈敏度和幀速率。表 3 總結(jié)了這些傳感器技術(shù)的幾個關(guān)鍵特性，并為不同應(yīng)用提供了一些一般建議。

表 3.傳感器特性與應(yīng)用建議的比較。

相機(jī)生態(tài)系統(tǒng)

背照式 sCMOS 技術(shù)的優(yōu)勢固然重要，但充分利用這種新型傳感器的固有優(yōu)勢的能力也同樣重要。KURO專為在 Princeton Instruments LightField?軟件生態(tài)系統(tǒng)中運(yùn)行而設(shè)計(jì)，易于控制，并且可以快速集成到無數(shù)成像和光譜實(shí)驗(yàn)中。與MathWorks 的 MATLAB ? 和National Instruments 的 LabVIEW?一起使用的相機(jī)集成也快速而簡單。還提供全套輸入輸出 TTL 信號，可以輕松將相機(jī)操作與外部事件或光源同步。

審核編輯 黃宇