Введение
Преимущества научного КМОП-сенсора (sCMOS), который применяется в видимом диапазоне длин волн, хорошо известны: широкое поле зрения, небольшой размер пикселя, высокая частота кадров, превышающая 200 кадров в секунду, большое значение квантовой эффективности (QE), низкий уровень шума, приходящийся на пиксель и расширенный динамический диапазон порядка 1:10000.
Недавно было специально разработано новое поколение sCMOS-сенсоров с обратной засветкой (BSI-sCMOS) для оптимизации значений квантовой эффективности в видимом диапазоне: более 95% на длине волны 550 нм с коэффициентом заполнения 100% – модель GSENSE4000BSI. Сенсор BSI-sCMOS имеет большой размер: 22,5 мм х 22,5 мм, пиксель 11 мкм х 11 мкм, высокую частоту кадров: 49 Гц, благодаря чему он становится хорошей альтернативой широко используемой матрице BSI-CCD.
В этой статье качество сенсора BSI-sCMOS проверяется путем измерения значений темнового шума, шума считывания, пространственной однородности, линейности и электронных усилений.
Измеренные характеристики BSI-sCMOS камеры Tucsen сравниваются со спецификацией камеры Teledyne с BSI-CCD сенсором. Исследования проводятся в видимом диапазоне.
Материалы и экспериментальная установка
В качестве детектора используется камера Tucsen Dhyana95 (рисунок 1), в которую встроен sCMOS-сенсор с обратной засветкой модели GSENSE400BSI-TVISB от компании GPIXEL Inc. Этот 4-мегапиксельный сенсор (разрешение 2048 × 2048, размер пикселя 11 мкм) с расширенным динамическим диапазоном (HDR) основан на стандартной архитектуре пикселей 4T с двумя режимами усиления (высокий коэффициент усиления и низкий коэффициент усиления), а также режимом комбинированного усиления для достижения режима HDR.
Рисунок 1 – Камера Dhyana95
Сенсор Dhyana охлаждается до -20°C с помощью термоэлектрического элемента Пельтье, который способен снизить темновой ток до 1,5 e-/с/пиксель. Частота кадров зависит от режима (Стандартный или HDR) и ограничивается 24 кадрами в секунду в режиме полного кадра с использованием цифрового интерфейса USB3.0. Камера Dhyana95 впервые протестирована для видимого диапазона научной группой, занимающейся детекторами в лаборатории SOLEIL, с использованием светодиодного источника излучения с интегрирующей сферой, необходимой для равномерного освещения сенсора без линз. Таким образом, вычислены полная емкость насыщения, шум считывания, показатели линейности и однородности исследуемого сенсора.
Результаты эксперимента
Для оценки эффективности работы камеры Dhyana проводится ряд исследований в различных режимах работы в соответствии со стандартом EMVA1288 Европейской ассоциации машинного зрения:
- построение передаточной кривой фотонов (рисунок 2а), на основе которой рассчитывается полная емкость насыщения и коэффициент усиления;
- исследование структурных шумов и неоднородности темнового сигнала (DSNU), неравномерность фотонного отклика (PRNU), темновой ток и шум электронного считывания (рисунок 2б);
- оценка линейности и количества битых пикселей.
Технические характеристики, предоставленные компанией Tucsen, и результаты проведенных измерений собраны в таблице 1, там же они сравниваются со спецификацией камеры PI-MTE CCD.
Рисунок 2 – (a) Передаточная кривая фотонов камеры Dhyana95 в режиме высокого усиления. Оценка усиления составляет 30,4 ADU/e-. (b) Шум считывания камеры Dhyana для режима высокого усиления был измерен по 100 темным изображениям с временем экспозиции 20 мкс. Максимальное значение получено для 48,6 ADU, поэтому 1,6 e- – среднеквадратичное значение.
Таблица 1. Результаты измерения технических характеристик камеры Dhyana95 в сравнении со спецификациями камер Tucsen и PI-MTE
|
Dhyana95
(спецификация)
|
Dhyana95 (измерения) |
PI-MTE
2048B (спецификация)
|
HDR |
Высокий коэффициент усиления |
Низкий коэффициент усиления |
Общий коэффициент усиления
(ADU – цифровые единицы,
e- – электрон) |
0.6 ADU/e- |
0.87 ADU/e- |
30 ADU/e- |
0.62 ADU/e- |
0.65 ADU/e- |
Шум считывания (время экспозиции 20 мкс) |
1.45 e- |
3.5 e- |
1.6 e- |
57.5 e- |
от 3 до 12 e-* |
Абсолютный порог чувствительности |
2 e- |
6 e- |
2.7 e- |
58 e- |
- |
Емкость насыщения |
90 000 e- |
70 000 e- |
1 907 e- |
80 000 e- |
100 000 e- |
Максимальное соотношение сигнал-шум |
- |
8 бит |
5 бит |
8 бит |
- |
Динамический диапазон |
- |
11 000 |
681 |
1 377 |
c 33 000 до 8000*
|
Темновой ток |
1.5
e-/с/пиксель |
5
e-/с/пиксель |
2.7
e-/с/пиксель |
6
e-/с/пиксель |
0.02
e-/с/пиксель |
DSNU |
0.6 % |
2.5 % |
0.09 % |
0.09 % |
- |
PRNU |
0.02 % |
|
1.2 % |
|
- |
Битые пиксели |
- |
|
0.01 % |
|
- |
*зависит от скорости чтения АЦП (аналого-цифрового преобразователя)
**температура сенсора составляла -15°C для камеры Dhyana и -50°C для камеры PI-MTE.
Заключение
Результаты эксперимента хорошо согласуются со спецификацией камеры Tucsen, особенно значения для шума считывания, который достигает 1,6 е- в режиме высокого коэффициента усиления, и для емкости насыщения – до 80 000 е- в режиме низкого коэффициента усиления. По техническим характеристикам Dhyana95 не уступает камере с BSI-CCD сенсором.
Ознакомиться с каталогом Tucsen можно здесь.
Компания INSCIENCE занимается поставкой научных камер для различных приложений визуализации.