科学 CMOS 相机动态范围和线性度的新时代

介绍

科学的 CMOS 技术在速度、噪声性能、能源使用和传感器尺寸等关键性能领域比 CCD 和 EMCCD 等以前的传感器技术进行了改进。这使得 CMOS 技术在过去十年中在广泛的成像应用中迅速普及。然而，当前一代 CMOS 技术在科学成像的两个关键参数方面受到一定限制：动态范围和响应线性度。这限制了需要在大范围的可能信号强度上进行精确信号测量的应用。

然而，得益于 CMOS 读出工艺的创新，LACera 技术 能够提供无与伦比的动态范围和线性度，并结合尖端 CMOS 技术相对于以前的传感器设计的所有其他优势。

什么是动态范围?

动态范围是对可测量的可辨别信号电平总数的度量，由峰值信号和读出期间引入的噪声电平确定。当在同一采集中对明亮和暗淡的物体进行成像时，高动态范围对于维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。

为了定义动态范围，我们找到了饱和和线性损失(全阱容量)之前像素可以存储的光电子总数除以读取噪声的比率。例如，具有 10,000 e-满阱容量、读取噪声为 3 e-rms 的 CMOS 像素具有 3333 或大约 70 dB 的动态范围。

动态范围不等于灰度级或 ADU(模拟到数字单元)的总数。也就是说，具有 12 位模数转换器 (ADC) 的相机(进行信号测量)不一定具有 12 位动态范围(2^12 = 4096 个不同值)，因为尚未考虑本底噪声。必须首先确定像素的固有动态范围(如上所述)，然后强制 ADC 至少具有位分辨率，最好更高。

什么是线性?

对于科学成像，我们的目的通常是测量光，而不是产生美观的图像。这导致了科学相机与“消费类”或工业视觉相机之间的主要区别之一——它们对光响应的线性度。

当检测到信号时，相机就会产生数字信号。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，对于恒定源，增加曝光时间将导致信号成比例增加，并且相机的噪声性能仅取决于光子散粒噪声的信号。然而，所有这些对于进行有意义且可靠的光测量至关重要的方面实际上都是通过工程师在科学相机制造过程中的工作来之不易的。

最大的挑战之一是在大动态范围内保持良好的线性度，而这是传统 CMOS 相机面临的难题。

CMOS 相机如何实现高动态范围 (HDR)?

尽管模数转换的位深度并不能决定相机的动态范围，但它确实设置了上限。到目前为止，科学的 CMOS 相机只能实现12 位 ADC，这意味着我们的最大动态范围是 4096 级，因为这是可用的灰度级或 ADU 的数量。然而，许多相机在 16 位操作中提供更高的动态范围。这是如何实现的?

高增益和低增益放大器

尽管 ADC 表示的灰度级数有上限，通常为 12 位或 4096，但其对应的实际光电子数在相机设计期间可以自由选择。两者之间的关系称为增益，通常以每灰度级的电子数(e-/grey) 来定义，但从语义上讲，增益“越高”，e-/grey 的数量就越低。

高增益(将光电子中计数的信号表示为等效或更大数量的灰度级)可带来更好的测量精度和更低的读取噪声，这两者都是动态范围的关键。然而，高增益也限制了可寻址的全井容量，因为相机可以寻址的最大全井容量由以下给出：

其中 Offset 是相机在零入射信号时输出的值，通常为 100。

例如，对于增益为 0.5e-/g 的 12 位相机，最大可寻址信号约为 2000e-。较低的增益可提供较高的满阱容量，但代价是精度和读取噪声较高。然而，对于足够高的信号，光子散粒噪声将显着克服读取噪声，因此较高的读取噪声不会成为问题。

实现高满阱和低读取噪声的答案是读取信号两次，一次在信号较低时以高增益读取，一次在信号较高时以低增益读取。以低增益测量的弱信号和以高增益测量的强信号被滤除，并输出组合值。在使用低增益信号的情况下，该值被重新缩放，使得相机的整个动态范围使用相同的增益值。

例如，如果我们的相机有一个 0.5e-/g 的 12 位高增益 ADC 和一个 15 e-/g 的 12 位低增益 ADC，则可以以低读取噪声和高精度测量低于 2000e- 的值，但我们的最大值将为 4096g x 15e-/g ≈ 60,000 e-，允许访问高于 2000e- 的值。该像素的实际输出被拼接成 16 位数字，其中前约 4000 个灰度级由高增益 ADC 给出，所有较高值由低增益 ADC 给出，重新调整以在整个动态范围内提供一致的增益值 - 即，在读出之前，所有低增益信号将乘以 15/0.5(两个增益的比率)。

请注意确保两个读数之间的过渡(称为交叉)尽可能平滑且无伪影，以确保正确测量两个放大器之间接近或交叉的值。然而，这是以前科学 CMOS 相机线性度的主要限制，在这个交叉点经常观察到伪影和非线性。

两个 12 位 ADC 的缺点

两个 12 位 ADC 测量组合的主要问题在于两个 ADC 之间的交叉点。为了提供较宽的动态范围，我们希望使 ADC 的增益尽可能高，从而最大限度地减少读取噪声。然后，我们将另一个 ADC 的增益值设置得尽可能低，直到我们处理像素的整个满阱容量。这种情况存在两个问题：

两个增益值相距越远，它们的输出之间的重叠就越少，从而实现平滑、无伪影的交叉。在具有交叉点周围值的图像中以及这些图像的直方图中都可以看到伪影。

低增益放大器的增益越低，读取噪声就越高。如果读取噪声变得与光子散粒噪声相似，则交叉点处的总噪声可能会突然跳跃。这可能会导致精确增益测量困难，并可能导致图像中出现伪影。

相机的理想情况是其动态范围尽可能受到“散粒噪声限制”，并且读出噪声的影响最小。为了获得良好的相机性能，在交叉点，我们需要低增益放大器的读取噪声比光子散粒噪声低 10 倍左右。然而，我们还需要高增益放大器来利用高增益来减少弱信号的读取噪声。这降低了发生交叉点的信号电平，从而降低了光子散粒噪声。

更高位深度的ADC 将允许两个 ADC 使用更高的增益值，这与更低的读取噪声一起将导致动态范围和线性度的改进。然而，以 12 位为限制，我们的动态范围和线性度受到限制。通过尝试在两者之间达成妥协，基于 12 位 ADC 的相机通常会在 ADC 交叉点处看到成像伪影。此外，交叉处的典型读取噪声大约等于散粒噪声，而不是良好线性度所需的低 10 倍。

三个 12 位 ADC 的缺点

针对两个 12 位 ADC 在动态范围和线性度方面的限制，提出的一种解决方案是引入第三个“中等增益”ADC，从而产生介于高增益 ADC 和低增益 ADC 之间的读取噪声。这有助于平滑ADC 之间的转换。

然而，中低增益 ADC 交叉仍然会出现读取噪声的显着跳跃，交叉处的散粒噪声与读取噪声之比通常约为 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没有增加动态范围，因为读取本底噪声和满阱容量与两个 12 位 ADC 情况相同。

然而，这还不是主要缺点。与两个 ADC 相比，在读出过程中添加额外的 ADC 将使相机速度降低 33% 。更重要的是，读出会产生更多的热量，从而导致热噪声增加。最后，重新设计相机像素结构以包含额外的 ADC 将带来相当大的财务成本和工程时间。这些缺点首先削弱了采用 CMOS 技术的优势。

两个 14 位 ADC 如何同时提供更好的噪声性能、动态范围和线性度

为了避免所有这些问题，LACera 技术采用了一种新方法来实现无与伦比的动态范围，并结合低读取噪声，以满足要求苛刻的成像应用和高速读出的需要。

借助LACera 技术，我们专有的 ADC 结构允许在单次读出时读出可变位数，从 10 一直到 16 。当寻求更高的动态范围时，LACera 能够通过两个 14 位测量值(而不是两个 12 位测量值)的组合来提供18 位读数。

通过增加位深度，可以使用更高的增益进行高增益测量，而无需牺牲整体满阱容量。因此，除了我们专有的 ADC本质上的低噪声之外，我们还显着降低了CMOS 技术的读取噪声，从而能够精确测量较弱的信号，并解锁更宽的动态范围。

凭借这种更高的位深度，我们能够获得高满阱容量，而不会在两个 ADC 之间的交叉点引入问题，从而使散粒噪声与读取噪声之比达到10:1 左右的理想值。这样可以大大改善线性度，并且不会出现两个 12 位 ADC 情况下出现的伪影，比以前使用高动态范围 CMOS 相机看到的效果更好。

结论

通过我们专有的可变位深度 ADC，LACera 技术能够提供18 位读出，其读取噪声低于两个 12 位或三个 12 位 ADC 读出，同时保持高满井容量。此外，这种无与伦比的动态范围与新的线性标准相结合，为 CMOS 技术提供了迄今为止最准确、最科学的检测信号测量。

审核编辑 黄宇