sCMOS相機(jī)Gloria 6504工作模式與行時(shí)間技術(shù)解析——高速成像與高動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)用

　　在科學(xué)成像中，sCMOS相機(jī)因其高靈敏度、低讀出噪聲和高動(dòng)態(tài)范圍等特性，廣泛應(yīng)用于細(xì)胞生物成像、物理光電成像、天文觀測、工業(yè)檢測等領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)研究中用戶最常遇到兩個(gè)核心技術(shù)名詞“工作模式（Operating Mode）”和“行時(shí)間（Line Time）”，直接影響sCMOS相機(jī)曝光、幀率、信噪比和動(dòng)態(tài)范圍等關(guān)鍵性能。

　　1. 工作模式

　　1.1 工作模式由來：

　　sCMOS相機(jī)科研實(shí)驗(yàn)使用中，用戶需調(diào)整兩類參數(shù)，第一類是快速修改即時(shí)生效的參數(shù)，如曝光時(shí)間、幀率，修改僅需重新設(shè)置寄存器，通常在幾個(gè)行周期完成，耗時(shí)僅幾十微秒。第二類是需要觸發(fā)CMOS芯片復(fù)位與重新訓(xùn)練的參數(shù)，包含增益、ADC配置、讀出架構(gòu)、快門時(shí)序等，耗時(shí)長（百毫秒級(jí)），代價(jià)大，不適合頻繁修改，故通常被封裝成幾種穩(wěn)定、經(jīng)過測試的“工作模式”。

　　1.2 工作模式構(gòu)成參數(shù)詳解

　　1.2.1 增益

　　sCMOS相機(jī)切換增益時(shí)需調(diào)校多項(xiàng)內(nèi)部寄存器、DAC、電壓和校正參數(shù)，為保障圖像質(zhì)量，sCMOS相機(jī)通常只開放經(jīng)過嚴(yán)格調(diào)校的高增益、低增益兩個(gè)固定檔位，高增益模式讀出噪聲更低，適用于暗場、弱光場景，低增益模式擁有更大滿阱，適用于亮場、高動(dòng)態(tài)場景。

　　1.2.2 讀出

　　sCMOS相機(jī)擁有Top和Bottom兩組ADC，通過改變兩組ADC工作方式，實(shí)現(xiàn)不同的讀出模式：

　　I.高速模式（STD）：Top和Bottom兩組ADC設(shè)置相同PGA增益，奇偶行并行讀出，實(shí)現(xiàn)高幀率。

　　II.高增益模式/低增益模式：Top和Bottom兩組ADC分別設(shè)置高/低增益，僅輸出一種，實(shí)現(xiàn)高/低增益圖像的捕捉。

　　III.高動(dòng)態(tài)模式(HDR)：兩組ADC分別設(shè)置高、低增益并同時(shí)輸出，由FPGA融合高、低增益圖像，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍。

　　IV.CMS模式：兩組ADC設(shè)置相同的PGA增益并同時(shí)輸出，由FPGA合成一幀更低噪聲的圖像數(shù)據(jù)。

　　1.2.3 快門

　　sCMOS相機(jī)芯片可能支持Rolling Shutter、Rolling Shutter with Global Reset、Global Shutter三種快門模式的一種或同時(shí)支持，不同快門在時(shí)序和寄存器配置上存在差異，且圖像校正參數(shù)也不同，所以快門方式對(duì)外也可以按照工作模式區(qū)分。中科君達(dá)視界的sCMOS相機(jī)產(chǎn)品圖譜中，將快門與工作模式分開，由用戶獨(dú)立選擇。

　　1.3 Gloria 6504工作模式

　　千眼狼sCMOS相機(jī)Gloria 6504所有讀出鏈路均采用12 bit ADC，但通過不同的讀出結(jié)構(gòu)、增益路徑，形成2種對(duì)外開放的常用工作模式以適配特定科學(xué)成像需求：

　　2. 行時(shí)間

　　2.1 什么是行時(shí)間

　　行時(shí)間是指sCMOS相機(jī)傳感器讀取并復(fù)位單行像素?cái)?shù)據(jù)所需的時(shí)間，行時(shí)間是理解曝光時(shí)間、幀率和時(shí)序行為的關(guān)鍵參數(shù)。一個(gè)行時(shí)間的時(shí)序圖通常包含Read和Reset兩個(gè)階段，不同行之間時(shí)序結(jié)構(gòu)一致。

　　2.2 行時(shí)間與曝光時(shí)間的關(guān)系

　　對(duì)于卷簾快門的sCMOS相機(jī)而言，所有像素操作是按照行進(jìn)行的，每一行的讀出時(shí)間不能重疊。默認(rèn)情況下所有的像素一直都處在曝光狀態(tài)，當(dāng)執(zhí)行Reset操作后把當(dāng)前像素（之前的時(shí)間內(nèi)）累積的電荷清空，所以Reset操作執(zhí)行結(jié)束的時(shí)刻可以認(rèn)為是下一幀曝光的開始時(shí)刻。當(dāng)對(duì)該行進(jìn)行Read操作時(shí)，會(huì)對(duì)累積的電荷進(jìn)行讀出，故Read操作開始的時(shí)刻可以認(rèn)為是該幀曝光的結(jié)束時(shí)刻。

　　如果前一個(gè)行時(shí)間的Reset Address與下一個(gè)行時(shí)間的Read Address相同，那么這一行的曝光時(shí)間小于一個(gè)行時(shí)間且是一個(gè)固定值Exp_init（最小曝光，由下方的具體時(shí)序決定，每個(gè)模式下稍有差別）。

　　如果Reset Address和Read Address之間間隔了多個(gè)行時(shí)間，則曝光時(shí)間就等于 Exp_init + N * line_time。

　　一般情況下，曝光時(shí)間遠(yuǎn)大于Exp_init，所以可粗略地認(rèn)為曝光時(shí)間是行時(shí)間的倍數(shù)。

圖 行時(shí)間與曝光時(shí)間示意

　　2.3 高速模式下的行時(shí)間

　　sCMOS相機(jī)高速模式中，在一個(gè)行時(shí)間內(nèi)，會(huì)對(duì)Top和Bottom分別讀出一行，即每個(gè)行時(shí)間內(nèi)讀出兩行，這是高速模式下行時(shí)間與普通模式下的最大區(qū)別。所以高速模式在計(jì)算幀周期時(shí)，用行時(shí)間乘以圖像高度的一半即可。

圖Top 和Bottom ADC同時(shí)讀出2行示意

　　2.4多行并行讀出與行時(shí)間

　　在某些特殊的sCMOS相機(jī)中，芯片內(nèi)部ADC個(gè)數(shù)是像素列數(shù)的N倍，所以可實(shí)現(xiàn)N行同時(shí)曝光同時(shí)讀出。以千眼狼sCMOS相機(jī)Gloria 6504相機(jī)為例，芯片內(nèi)部具有Top和Bottom兩組ADC，其中每組ADC包含4×2048個(gè)單元，所以對(duì)于任意一組ADC來說，在1個(gè)行時(shí)間內(nèi)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)4行同時(shí)曝光和讀出，如下圖所示。

圖 Gloria 6504 HDR模式的行時(shí)間

　　對(duì)于Gloria 6504的高速模式，就是在一個(gè)行時(shí)間內(nèi)Top和Bottom兩組ADC分別對(duì)4行像素進(jìn)行讀出，總共在一個(gè)行時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)8行像素的讀出。

圖 Gloria 6504 高速模式的行時(shí)間

　　2.5 sCMOS相機(jī)Gloria 6504的行時(shí)間

　　Gloria 6504行時(shí)間均由寄存器生效的內(nèi)部讀出結(jié)構(gòu)決定，非來自外部提供的時(shí)序。

　　3. Gloria 6504應(yīng)用場景與使用推薦

　　3.1 高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像

　　● 場景：快速運(yùn)動(dòng)的細(xì)胞，細(xì)胞膜動(dòng)態(tài)變化，微流場中粒子追蹤等

　　● 需求：第一優(yōu)先級(jí)為幀率，第二為亮度與噪聲

　　● 推薦：高速高增益模式12 bit STD High

　　● 技術(shù)：高增益放大信號(hào)，一個(gè)行時(shí)間13 μs內(nèi)可并行讀出8行。

　　3.2 高動(dòng)態(tài)范圍成像

　　● 場景：激光散射、熒光成像、電子顯微鏡、半導(dǎo)體檢測等

　　● 需求：第一優(yōu)先級(jí)為看清亮暗細(xì)節(jié)

　　● 推薦：高動(dòng)態(tài)模式16 bit HDR

　　● 技術(shù)：FPGA融合高、低增益圖像數(shù)據(jù)

　　3.3 弱光成像

　　● 場景：單分子成像、熒光顯微等

　　● 需求：第一優(yōu)先級(jí)為信噪比

　　● 推薦：高速高增益模式12 bit STD High

　　● 技術(shù)：高增益放大信號(hào)，一個(gè)行時(shí)間13 μs內(nèi)可并行讀出8行。

　　4. 結(jié)語

　　工作模式與行時(shí)間是第二代背照式制冷sCMOS相機(jī)Gloria 6504最核心的兩項(xiàng)技術(shù)概念，工作模式定義了相機(jī)內(nèi)部如何讀出數(shù)據(jù)，行時(shí)間定義相機(jī)讀出一行數(shù)據(jù)需要多久，兩者共同決定了sCMOS相機(jī)的幀率、靈敏度、噪聲、動(dòng)態(tài)范圍和曝光等核心性能。掌握工作模式到行時(shí)間到曝光與幀率的關(guān)系鏈條，將有助于研究人員在各種復(fù)雜的科學(xué)成像實(shí)驗(yàn)中匹配最合適的成像策略。

　　轉(zhuǎn)自：艾瑞網(wǎng)

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