介紹

科學(xué)的 CMOS 技術(shù)在速度、噪聲性能、能源使用和傳感器尺寸等關(guān)鍵性能領(lǐng)域比 CCD 和 EMCCD 等以前的傳感器技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。這使得 CMOS 技術(shù)在過去十年中在廣泛的成像應(yīng)用中迅速普及。然而，當(dāng)前一代 CMOS 技術(shù)在科學(xué)成像的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)方面受到一定限制：動態(tài)范圍和響應(yīng)線性度。這限制了需要在大范圍的可能信號強(qiáng)度上進(jìn)行精確信號測量的應(yīng)用。

然而，得益于 CMOS 讀出工藝的創(chuàng)新，LACera 技術(shù) 能夠提供無與倫比的動態(tài)范圍和線性度，并結(jié)合尖端 CMOS 技術(shù)相對于以前的傳感器設(shè)計(jì)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(shù)的度量，由峰值信號和讀出期間引入的噪聲電平確定。當(dāng)在同一采集中對明亮和暗淡的物體進(jìn)行成像時(shí)，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(qiáng)信號飽和至關(guān)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(shù)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(shù)字單元)的總數(shù)。也就是說，具有 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的相機(jī)(進(jìn)行信號測量)不一定具有 12 位動態(tài)范圍(2^12 = 4096 個(gè)不同值)，因?yàn)樯形纯紤]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(qiáng)制 ADC 至少具有位分辨率，最好更高。

什么是線性?

對于科學(xué)成像，我們的目的通常是測量光，而不是產(chǎn)生美觀的圖像。這導(dǎo)致了科學(xué)相機(jī)與“消費(fèi)類”或工業(yè)視覺相機(jī)之間的主要區(qū)別之一——它們對光響應(yīng)的線性度。

當(dāng)檢測到信號時(shí)，相機(jī)就會產(chǎn)生數(shù)字信號。許多相機(jī)用戶理所當(dāng)然地認(rèn)為輸入信號與輸出信號成正比，對于恒定源，增加曝光時(shí)間將導(dǎo)致信號成比例增加，并且相機(jī)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(jìn)行有意義且可靠的光測量至關(guān)重要的方面實(shí)際上都是通過工程師在科學(xué)相機(jī)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(nèi)保持良好的線性度，而這是傳統(tǒng) CMOS 相機(jī)面臨的難題。

CMOS 相機(jī)如何實(shí)現(xiàn)高動態(tài)范圍 (HDR)?

盡管模數(shù)轉(zhuǎn)換的位深度并不能決定相機(jī)的動態(tài)范圍，但它確實(shí)設(shè)置了上限。到目前為止，科學(xué)的 CMOS 相機(jī)只能實(shí)現(xiàn)12 位 ADC，這意味著我們的最大動態(tài)范圍是 4096 級，因?yàn)檫@是可用的灰度級或 ADU 的數(shù)量。然而，許多相機(jī)在 16 位操作中提供更高的動態(tài)范圍。這是如何實(shí)現(xiàn)的?

高增益和低增益放大器

盡管 ADC 表示的灰度級數(shù)有上限，通常為 12 位或 4096，但其對應(yīng)的實(shí)際光電子數(shù)在相機(jī)設(shè)計(jì)期間可以自由選擇。兩者之間的關(guān)系稱為增益，通常以每灰度級的電子數(shù)(e-/grey) 來定義，但從語義上講，增益“越高”，e-/grey 的數(shù)量就越低。

高增益(將光電子中計(jì)數(shù)的信號表示為等效或更大數(shù)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(guān)鍵。然而，高增益也限制了可尋址的全井容量，因?yàn)橄鄼C(jī)可以尋址的最大全井容量由以下給出：

其中 Offset 是相機(jī)在零入射信號時(shí)輸出的值，通常為 100。

例如，對于增益為 0.5e-/g 的 12 位相機(jī)，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(jià)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(shí)現(xiàn)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(shí)以高增益讀取，一次在信號較高時(shí)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(qiáng)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(jī)的整個(gè)動態(tài)范圍使用相同的增益值。

例如，如果我們的相機(jī)有一個(gè) 0.5e-/g 的 12 位高增益 ADC 和一個(gè) 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(shí)際輸出被拼接成 16 位數(shù)字，其中前約 4000 個(gè)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(diào)整以在整個(gè)動態(tài)范圍內(nèi)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(gè)增益的比率)。

請注意確保兩個(gè)讀數(shù)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(gè)放大器之間接近或交叉的值。然而，這是以前科學(xué) CMOS 相機(jī)線性度的主要限制，在這個(gè)交叉點(diǎn)經(jīng)常觀察到偽影和非線性。

兩個(gè) 12 位 ADC 的缺點(diǎn)

兩個(gè) 12 位 ADC 測量組合的主要問題在于兩個(gè) ADC 之間的交叉點(diǎn)。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(gè) ADC 的增益值設(shè)置得盡可能低，直到我們處理像素的整個(gè)滿阱容量。這種情況存在兩個(gè)問題：

兩個(gè)增益值相距越遠(yuǎn)，它們的輸出之間的重疊就越少，從而實(shí)現(xiàn)平滑、無偽影的交叉。在具有交叉點(diǎn)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(diǎn)處的總噪聲可能會突然跳躍。這可能會導(dǎo)致精確增益測量困難，并可能導(dǎo)致圖像中出現(xiàn)偽影。

相機(jī)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(jī)性能，在交叉點(diǎn)，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(diǎn)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(gè) ADC 使用更高的增益值，這與更低的讀取噪聲一起將導(dǎo)致動態(tài)范圍和線性度的改進(jìn)。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(dá)成妥協(xié)，基于 12 位 ADC 的相機(jī)通常會在 ADC 交叉點(diǎn)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(gè) 12 位 ADC 的缺點(diǎn)

針對兩個(gè) 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(gè)“中等增益”ADC，從而產(chǎn)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(zhuǎn)換。

然而，中低增益 ADC 交叉仍然會出現(xiàn)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(dǎo)致偽影。此外，這種實(shí)現(xiàn)更好線性度的方法實(shí)際上并沒有增加動態(tài)范圍，因?yàn)樽x取本底噪聲和滿阱容量與兩個(gè) 12 位 ADC 情況相同。

然而，這還不是主要缺點(diǎn)。與兩個(gè) ADC 相比，在讀出過程中添加額外的 ADC 將使相機(jī)速度降低 33% 。更重要的是，讀出會產(chǎn)生更多的熱量，從而導(dǎo)致熱噪聲增加。最后，重新設(shè)計(jì)相機(jī)像素結(jié)構(gòu)以包含額外的 ADC 將帶來相當(dāng)大的財(cái)務(wù)成本和工程時(shí)間。這些缺點(diǎn)首先削弱了采用 CMOS 技術(shù)的優(yōu)勢。

兩個(gè) 14 位 ADC 如何同時(shí)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(shù)采用了一種新方法來實(shí)現(xiàn)無與倫比的動態(tài)范圍，并結(jié)合低讀取噪聲，以滿足要求苛刻的成像應(yīng)用和高速讀出的需要。

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

通過增加位深度，可以使用更高的增益進(jìn)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(zhì)上的低噪聲之外，我們還顯著降低了CMOS 技術(shù)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(gè) ADC 之間的交叉點(diǎn)引入問題，從而使散粒噪聲與讀取噪聲之比達(dá)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(xiàn)兩個(gè) 12 位 ADC 情況下出現(xiàn)的偽影，比以前使用高動態(tài)范圍 CMOS 相機(jī)看到的效果更好。

結(jié)論

通過我們專有的可變位深度 ADC，LACera 技術(shù)能夠提供18 位讀出，其讀取噪聲低于兩個(gè) 12 位或三個(gè) 12 位 ADC 讀出，同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，為 CMOS 技術(shù)提供了迄今為止最準(zhǔn)確、最科學(xué)的檢測信號測量。

審核編輯 黃宇