光学传感器的最新进展

用于科学成像的光子定量CMOS之路

2022-1-11 23:00| 发布者:光学社区 前途无量| 查看: 355| 评论: 0

科学相机长期以来被用于拍摄实验中的各种现象或用于天文摄影。早在20世纪90年代，CMOS    图像传感器就通过将检测器直接对应每个像素实现了突破性的飞跃。最初COMS是由NASA喷    气推进实验室的一个团队开发的，用于空间应用中的图像传感研究。通过将所有的技术整合在一    个芯片上，CMOS器件很快在科学应用中取代了CCD器件，因为其低功耗和小尺寸的特性非常    适合空间科学研究。从那时起，CCD和CMOS成像技术都在不断发展，这些新技术使复杂的科    学天文研究成为可能。    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image001.png    EMCCD    随着基于CMOS的传感器问世，CCD技术又向前迈进了一大步，2001年EMCCD图像传感器    (或称L3CCD)由Andor技术公司利用e2v技术公司(现在的Teledyne e2v)和德州仪器公司的探测    器首次开发出来。EMCCD本质上是一个二维CCD，它最初是为用在天文学上而开发的。由于在    芯片上增加了电子倍增结构，它可以在无需图像增强器的情况下检测单个光子事件。           file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.png    领先的相机制造商继续发布更新的EMCCD传感器，包括Teledyne Photometrics的Evolve系列    sCMOS    CMOS传感器发展的下一个阶段是sCMOS, 于2008年首次推出，是由Andor  Technology、Fairchild Imaging(现在是BAE系统的一部分)和PCO联合开发的结果。自推出以来，sCMOS又经历了两次更新    (2018年的第二代和2020年的第三代)。sCMOS图像传感器的优点是它能提供大视场、高分辨率、    低噪声读数和高动态范围。    虽然CCD和EMCCD仍在许多实验室和天文学领域中使用，但sCMOS提供了更好的分辨率、像    素间距、帧率、读出噪声、动态范围和量子效率。领先的制造商包括Andor,  Hamamatsu, PCO AG, Teledyne Photometrics, Ximea等。有关sCMOS传感器的详细信息，请参阅“sCMOS相机进入科学成像    阶段”。    qCMOS    最新的CMOS技术是qCMOS(定量互补金属氧化物半导体)，它与此前CMOS的不同之处在于它    提供了光子数分辨技术，将科学成像提升到一个全新水平。    在ORCA-Quest发布之前——目前市场上唯一的qCMOS相机——最低噪声的sCMOS相机是滨松    的ORCA-Fusion，其最低读出噪声为0.7e-。ORCA-Quest的读出噪声值为0.27e-，减少了60%以上。    根据滨松光子（德国）应用工程师系统的Sebastian Beer博士所说，这是设计qCMOS的最大挑战。    比尔博士说：“对于相机来说，较低的噪声也意味着对数据处理的更高要求：一个非常清晰的信    号提供了非常低幅度的剩余不均匀性——而在sCMOS相机中，这些通常被隐藏在噪声中，”。       对于所有的图像传感器，在分辨率、灵敏度和速度之间都有一个最佳的平衡。随着CMOS技术的    发展，晶体管的尺寸继续小型化(摩尔定律)。此外，暗电流效应和读出噪声降低了。现在的qCMOS    技术能够量化每个像素内的光子数，这是通过极低的噪声实现的。比尔博士解释说，这一切都归结    于在给定的情况下提供尽可能好的图像，也就是最好的信噪比(SNR)。科学图像的信噪比通常受到    信号的散粒噪声、量子效率和传感器噪声的影响。而噪声有一个重要的特征：如果信号太低，就会    被噪声所掩盖。需要一个更大的信号才能被检测到。一般而言光源是有限制的，这意味着要么增加曝    光时间，要么提高灵敏度，但速度会降低。然而，使用qCMOS时灵敏度达到了检测和量化单个    光子的绝对极限，因此许多增强信号的方法可以在采集后执行。虽然这些方法也适用于其他相机，    但Beer博士指出，用于其他相机时噪声会增加，而在qCMOS中几乎不会引入多余的噪声。         file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image003.png    主要区别    sCMOS和qCMOS技术上的主要区别是读出噪声。噪声值低于0.5 e-(伴随着高度数字化)允许信号    中的单个光电子变得明显，而在低于0.3 e-的水平上，可被确认的光电子的数量置信度超过90%。    比尔博士说：“我们得出结论，低于这个水平的读出噪声，传感器是由于qCMOS而变得真正定量化。”    目前市场上有许多sCMOS相机，而qCMOS相机只有一种。在选择时，虽然qCMOS成本较高，    但它提供了非常高的像素数，高速电流和低速暗电流，这有利于类似量子成像的具体应用。Beer    博士指出，sCMOS在量子成像中并不是一个很好的选择，但EMCCD由于单光子计数的功能仍在    使用。EMCCD单光子计数与qCMOS单光子计数的区别在于EMCCD能区分0 光子和1光子，而    qCMOS能区分0、1、2、3…等等(目前能够实现多达200个光子)。用EMCCD 进行这种“光子数分辨”    是不可能的，Beer博士说，“因为在单光子计数操作中，任何高于1光子的东西都将被检测为一个    光子。”       未来展望    CMOS和EMCCD传感器不会消失，因为在某些应用中它们绝对是合适的技术。qCMOS相机才刚    上市场几个月，仍在寻找如量子成像的应用场景。但是它也可以用于处理极弱光的许多其他应用    场景，包括薄板成像，超分辨率成像，发光成像和基于荧光的测定读出。随着技术的进步，应用需    求将变得更加具体，从而推动未来相机的发展，如原生机器学习管道、光谱检测、特殊几何形状等。 说明：此文转自“光学社区”