科研級(jí)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (sCMOS) 是一種具有嚴(yán)格噪聲規(guī)范的 CMOS 圖像傳感器 (CIS)，似乎將在 2021 年進(jìn)入第四代時(shí)代。

科研級(jí)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(sCMOS) 通常用于與生物醫(yī)學(xué)成像或天文學(xué)相關(guān)的應(yīng)用；然而，由于其卓越的分辨率能力，它正在被應(yīng)用于替代視覺(jué)應(yīng)用。

Bae Systems新的 sCMOS Hawkeye 聲稱是第一個(gè)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(tǒng)，無(wú)人平臺(tái)，并針對(duì)監(jiān)控應(yīng)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(shí)候發(fā)布了稱為定量 CMOS (qCMOS) 的下一代 CIS 的詳細(xì)信息。據(jù)稱，內(nèi)置于 ORCA-Quest 相機(jī)系統(tǒng)中的 qCMOS 能夠使用業(yè)界領(lǐng)先的 0.27 電子均方根讀出噪聲解析光子計(jì)數(shù)。

理解為什么這兩種技術(shù)對(duì)科學(xué)或軍事界很重要，需要簡(jiǎn)要概述過(guò)去幾十年的圖像傳感器技術(shù)。

圖像傳感器技術(shù)簡(jiǎn)史

就在十多年前，電荷耦合器件(CCD) 技術(shù)是先進(jìn)科學(xué)成像技術(shù)的主要選擇。然而，自 2009 年以來(lái)，科學(xué) CMOS 圖像傳感器技術(shù)的進(jìn)步在很大程度上使 CCD 設(shè)備失寵。一般來(lái)說(shuō)，sCMOS 技術(shù)提供更低的噪聲、更高的幀速率和大視野。

科學(xué)成像的技術(shù)演變十年又十年。截圖由Hamamatsu 提供

盡管 CMOS 圖像傳感器的發(fā)展在 1990 年代開始起飛，但第一代 CMOS 技術(shù)并沒(méi)有在量子效率 (QE) 上與 CCD 競(jìng)爭(zhēng)。 

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(yīng)用中超過(guò) CCD 的程度。新的技術(shù)，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(dòng)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(shù)可能成為sCMOS的合適替代品。兩個(gè)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，基于除嚴(yán)格的生物醫(yī)學(xué)圖像應(yīng)用之外的所有成本。 

現(xiàn)在對(duì)CMOS的歷史有了更多的了解，讓我們來(lái)看看Bae Systems新的sCMOS。

Bae Systems 的 Hawkeye 實(shí)現(xiàn)卓越的夜視能力

Hawkeye sCMOS 的分辨率為 1.6 兆像素 (1440 x 1104)，大幀速率為 120 fps。該系統(tǒng)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(jù)說(shuō)較大的像素尺寸可以降低噪聲，這是 sCMOS 技術(shù)的基本要求。

HWK1411 子系統(tǒng)的高級(jí)圖。圖片由Bae Systems 提供 [PDF 下載]

該接口包含一個(gè) 4 通道MIPI CSI-2輸出接口，以 1.5 Gbps/通道運(yùn)行，以及一個(gè) 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(yè)應(yīng)用）。

隨著 CMOS 技術(shù)的改進(jìn)，濱松憑借其 qCMOS 傳感器成為了一個(gè)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(jìn)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(fā)布了ORCA-Quest，這是其系列中第一款包含新 qCMOS 圖像傳感器技術(shù)的科學(xué)相機(jī)。 

ORCA-Quest qCMOS 相機(jī)。圖片由濱松提供

據(jù)說(shuō) 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(dá)到 0.27 電子均方根。讀出噪聲是離散光電子量化的關(guān)鍵參數(shù)。 

濱松創(chuàng)造了 qCMOS 一詞來(lái)表示“光子數(shù)解析”的能力，這意味著通過(guò)計(jì)算光電子來(lái)測(cè)量光。

如下所示，對(duì)于 0.5 個(gè)電子及以上的讀出噪聲，將失去檢測(cè)單個(gè)光電子的能力。 

光子的離散檢測(cè)需要超低電子 (rms) 噪聲。圖片由濱松提供

隨著 qCMOS 架構(gòu)的出現(xiàn)，濱松繼續(xù)推動(dòng) CMOS 技術(shù)的創(chuàng)新和世代發(fā)展。與此同時(shí)，Bae Systems 正在為在科學(xué)成像以外的領(lǐng)域采用 sCMOS 技術(shù)鋪平道路。 

除了 sCMOS，到 2021 年，該行業(yè)還見證了用于眾多應(yīng)用的圖像傳感器技術(shù)的進(jìn)步。