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CMOS 技术凭借最新的 sCMOS 和 qCMOS 传感器跃升至新水平
来源:赛斯维传感器网 发表于 2021/12/2

科研级互补金属氧化物半导体 (sCMOS) 是一种具有严格噪声规范的 CMOS 图像传感器 (CIS),似乎将在 2021 年进入第四代时代。


科研级互补金属氧化物半导体(sCMOS) 通常用于与生物医学成像或天文学相关的应用;然而,由于其卓越的分辨率能力,它正在被应用于替代视觉应用。


Bae Systems最新的 sCMOS Hawkeye 声称是第一个在阴天夜间条件下捕获图像的CMOS 图像传感器(CIS)。该HWK1411适用于电池供电的士兵系统,无人平台,并针对监控应用。

Bae Systems 的 HWK1411“鹰眼”BSI sCMOS 3.0 传感器。图片由Bae Systems 提供

 

此外,Hamamatsu 在今年早些时候发布了称为定量 CMOS (qCMOS) 的下一代 CIS 的详细信息。据称,内置于 ORCA-Quest 相机系统中的 qCMOS 能够使用业界领先的 0.27 电子均方根读出噪声解析光子计数。


理解为什么这两种技术对科学或军事界很重要,需要简要概述过去几十年的图像传感器技术。


图像传感器技术简史

就在十多年前,电荷耦合器件(CCD) 技术是先进科学成像技术的主要选择。然而,自 2009 年以来,科学 CMOS 图像传感器技术的进步在很大程度上使 CCD 设备失宠。一般来说,sCMOS 技术提供更低的噪声、更高的帧速率和大视野。

科学成像的技术演变十年又十年。截图由Hamamatsu 提供

 

尽管 CMOS 图像传感器的发展在 1990 年代开始起飞,但第一代 CMOS 技术并没有在量子效率 (QE) 上与 CCD 竞争。 


然而,从 2011 年开始,新一代 sCMOS 将 QE 提高了 72% - 82%,并将读取噪声降低到 sCMOS 在许多应用中超过 CCD 的程度。最新的技术,即所谓的第三代 sCMOS,使 CCD/EM-CCD 图像传感器的能力完全相形见绌。

使用滚动快门允许 sCMOS 拥有更高的帧速率和更低的读出噪声。图片由普林斯顿仪器公司提供


2021 年,随着量子效率的提高和读取噪声的降低,通用 CMOS 传感器图像技术可能成为sCMOS的合适替代品。两个图像传感器之间的成本因素可能是 10 倍,这使得 CMOS 成为明显的赢家,基于除最严格的生物医学图像应用之外的所有成本。 


现在对CMOS的历史有了更多的了解,让我们来看看Bae Systems最新的sCMOS。


Bae Systems 的 Hawkeye 实现卓越的夜视能力

Hawkeye sCMOS 的分辨率为 1.6 兆像素 (1440 x 1104),最大帧速率为 120 fps。该系统具有 11 位的 ADC 分辨率和 8x、16x 和 32x 的可编程增益。


像素尺寸为 8.0 μm x 8.0 μm,据说较大的像素尺寸可以降低噪声,这是 sCMOS 技术的基本要求。

HWK1411 子系统的高级图。图片由Bae Systems 提供 [PDF 下载]

 

该接口包含一个 4 通道MIPI CSI-2输出接口,以 1.5 Gbps/通道运行,以及一个 SPI 40 MHz 控制接口。Hawkeye 在 120 fps 下使用低于 750 mW,工作温度范围为 -40 ℃ 至 +85 ℃(否则称为工业应用)。


随着 CMOS 技术的改进,滨松凭借其 qCMOS 传感器成为了一个里程碑。


Hamamatsu 的 qCMOS 声称 0.27e- 读取噪声

尽管 sCMOS 3.0 在 2018 年取得了进步,读出噪声为 0.7 电子均方根值,但仍有更多工作要做。去年 5 月,Hamamatsu 发布了ORCA-Quest,这是其系列中第一款包含新 qCMOS 图像传感器技术的科学相机。 

ORCA-Quest qCMOS 相机。图片由滨松提供

 

据说 ORCA-Quest 的读出噪声为 0.43 电子均方根(典型值),超静音扫描能够达到 0.27 电子均方根。读出噪声是离散光电子量化的关键参数。 


滨松创造了 qCMOS 一词来表示“光子数解析”的能力,这意味着通过计算光电子来测量光。


如下所示,对于 0.5 个电子及以上的读出噪声,将失去检测单个光电子的能力。 

光子的离散检测需要超低电子 (rms) 噪声。图片由滨松提供


随着 qCMOS 架构的出现,滨松继续推动 CMOS 技术的创新和世代发展。与此同时,Bae Systems 正在为在科学成像以外的领域采用 sCMOS 技术铺平道路。 


除了 sCMOS,到 2021 年,该行业还见证了用于众多应用的图像传感器技术的进步。


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