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用于科学成像的光子定量CMOS之路

2022-1-11 23:00| 发布者: 前途无量| 查看: 121| 评论: 0

摘要: 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 ...

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,因为其低功耗和尺寸的特性非常适合空间科学研究。从那时起,CCDCMOS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。

                                                                         

EMCCD

随着基于CMOS的传感器问世,CCD技术又向前迈进了一大步,2001EMCCD图像传感器(或称L3CCD)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。

                                                                    

领先的相机制造商继续发布更新的EMCCD传感器,包括Teledyne PhotometricsEvolve系列

sCMOS

CMOS传感器发展的下一个阶段是sCMOS, 2008年首次推出,是由Andor TechnologyFairchild Imaging(现在是BAE系统的一部分)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CCDEMCCD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。


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。

                               

主要区别

sCMOSqCMOS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0123…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

CMOSEMCCD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。

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