- CMOS 技術憑借最新的 sCMOS 和 qCMOS 傳感器躍升至新水平
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2021/12/2
科研級互補金屬氧化物半導體 (sCMOS) 是一種具有嚴格噪聲規范的 CMOS 圖像傳感器 (CIS)，似乎將在 2021 年進入第四代時代。
科研級互補金屬氧化物半導體(sCMOS) 通常用于與生物醫學成像或天文學相關的應用；然而，由于其卓越的分辨率能力，它正在被應用于替代視覺應用。
Bae Systems最新的 sCMOS Hawkeye 聲稱是第一個在陰天夜間條件下捕獲圖像的CMOS 圖像傳感器(CIS)。該HWK1411適用于電池供電的士兵系統，無人平臺，并針對監控應用。
Bae Systems 的 HWK1411“鷹眼”BSI sCMOS 3.0 傳感器。圖片由Bae Systems 提供
此外，Hamamatsu 在今年早些時候發布了稱為定量 CMOS (qCMOS) 的下一代 CIS 的詳細信息。據稱，內置于 ORCA-Quest 相機系統中的 qCMOS 能夠使用業界領先的 0.27 電子均方根讀出噪聲解析光子計數。
理解為什么這兩種技術對科學或軍事界很重要，需要簡要概述過去幾十年的圖像傳感器技術。
圖像傳感器技術簡史
就在十多年前，電荷耦合器件(CCD) 技術是先進科學成像技術的主要選擇。然而，自 2009 年以來，科學 CMOS 圖像傳感器技術的進步在很大程度上使 CCD 設備失寵。一般來說，sCMOS 技術提供更低的噪聲、更高的幀速率和大視野。
科學成像的技術演變十年又十年。截圖由Hamamatsu 提供
盡管 CMOS 圖像傳感器的發展在 1990 年代開始起飛，但第一代 CMOS 技術并沒有在量子效率 (QE) 上與 CCD 競爭。
然而，從 2011 年開始，新一代 sCMOS 將 QE 提高了 72% - 82%，并將讀取噪聲降低到 sCMOS 在許多應用中超過 CCD 的程度。最新的技術，即所謂的第三代 sCMOS，使 CCD/EM-CCD 圖像傳感器的能力完全相形見絀。
使用滾動快門允許 sCMOS 擁有更高的幀速率和更低的讀出噪聲。圖片由普林斯頓儀器公司提供
2021 年，隨著量子效率的提高和讀取噪聲的降低，通用 CMOS 傳感器圖像技術可能成為sCMOS的合適替代品。兩個圖像傳感器之間的成本因素可能是 10 倍，這使得 CMOS 成為明顯的贏家，基于除最嚴格的生物醫學圖像應用之外的所有成本。
現在對CMOS的歷史有了更多的了解，讓我們來看看Bae Systems最新的sCMOS。
Bae Systems 的 Hawkeye 實現卓越的夜視能力
Hawkeye sCMOS 的分辨率為 1.6 兆像素 (1440 x 1104)，最大幀速率為 120 fps。該系統具有 11 位的 ADC 分辨率和 8x、16x 和 32x 的可編程增益。
像素尺寸為 8.0 μm x 8.0 μm，據說較大的像素尺寸可以降低噪聲，這是 sCMOS 技術的基本要求。
HWK1411 子系統的高級圖。圖片由Bae Systems 提供 [PDF 下載]
該接口包含一個 4 通道MIPI CSI-2輸出接口，以 1.5 Gbps/通道運行，以及一個 SPI 40 MHz 控制接口。Hawkeye 在 120 fps 下使用低于 750 mW，工作溫度范圍為 -40 ℃ 至 +85 ℃（否則稱為工業應用）。
隨著 CMOS 技術的改進，濱松憑借其 qCMOS 傳感器成為了一個里程碑。
Hamamatsu 的 qCMOS 聲稱 0.27e- 讀取噪聲
盡管 sCMOS 3.0 在 2018 年取得了進步，讀出噪聲為 0.7 電子均方根值，但仍有更多工作要做。去年 5 月，Hamamatsu 發布了ORCA-Quest，這是其系列中第一款包含新 qCMOS 圖像傳感器技術的科學相機。
ORCA-Quest qCMOS 相機。圖片由濱松提供
據說 ORCA-Quest 的讀出噪聲為 0.43 電子均方根（典型值），超靜音掃描能夠達到 0.27 電子均方根。讀出噪聲是離散光電子量化的關鍵參數。
濱松創造了 qCMOS 一詞來表示“光子數解析”的能力，這意味著通過計算光電子來測量光。
如下所示，對于 0.5 個電子及以上的讀出噪聲，將失去檢測單個光電子的能力。
光子的離散檢測需要超低電子 (rms) 噪聲。圖片由濱松提供
隨著 qCMOS 架構的出現，濱松繼續推動 CMOS 技術的創新和世代發展。與此同時，Bae Systems 正在為在科學成像以外的領域采用 sCMOS 技術鋪平道路。
除了 sCMOS，到 2021 年，該行業還見證了用于眾多應用的圖像傳感器技術的進步。
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