Исследование характеристик КМОП-камеры с обратной засветкой в видимом диапазоне

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

*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.