在科學成像中，sCMOS相機因其高靈敏度、低讀出噪聲和高動態(tài)范圍等特性，廣泛應用于細胞生物成像、物理光電成像、天文觀測、工業(yè)檢測等領域。實驗研究中用戶最常遇到兩個核心技術名詞“工作模式（Operating Mode）”和“行時間（Line Time）”，直接影響sCMOS相機曝光、幀率、信噪比和動態(tài)范圍等關鍵性能。

1 工作模式

1.1 工作模式定義

sCMOS相機科研實驗使用中，用戶需調整兩類參數，第一類是快速修改即時生效的參數，如曝光時間、幀率，修改僅需重新設置寄存器，通常在幾個行周期完成，耗時僅幾十微秒。第二類是需要觸發(fā)CMOS芯片復位與重新訓練的參數，包含增益、ADC配置、讀出架構、快門時序等，耗時長（百毫秒級），代價大，不適合頻繁修改，故通常被封裝成幾種穩(wěn)定、經過測試的“工作模式”。

1.2 工作模式構成參數詳解

1.2.1 增益

sCMOS相機切換增益時需調校多項內部寄存器、DAC、電壓和校正參數，為保障圖像質量，sCMOS相機通常只開放經過嚴格調校的高增益、低增益兩個固定檔位，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、高動態(tài)場景。

1.2.2 讀出

sCMOS相機擁有Top和Bottom兩組ADC，通過改變兩組ADC工作方式，實現不同的讀出模式：

I.高速模式（STD）：Top和Bottom兩組ADC設置相同PGA增益，奇偶行并行讀出，實現高幀率。

II.高增益模式/低增益模式：Top和Bottom兩組ADC分別設置高/低增益，僅輸出一種，實現高/低增益圖像的捕捉。

III.高動態(tài)模式(HDR)：兩組ADC分別設置高、低增益并同時輸出，由FPGA融合高、低增益圖像，實現高動態(tài)范圍。

IV.CMS模式：兩組ADC設置相同的PGA增益并同時輸出，由FPGA合成一幀更低噪聲的圖像數據。

1.2.3 快門

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

1.3 Gloria 6504工作模式

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

2 行時間

2.1 行時間定義

行時間是指sCMOS相機傳感器讀取并復位單行像素數據所需的時間，行時間是理解曝光時間、幀率和時序行為的關鍵參數。一個行時間的時序圖通常包含Read和Reset兩個階段，不同行之間時序結構一致。

2.2 行時間與曝光時間的關系

對于卷簾快門的sCMOS相機而言，所有像素操作是按照行進行的，每一行的讀出時間不能重疊。默認情況下所有的像素一直都處在曝光狀態(tài)，當執(zhí)行Reset操作后把當前像素（之前的時間內）累積的電荷清空，所以Reset操作執(zhí)行結束的時刻可以認為是下一幀曝光的開始時刻。當對該行進行Read操作時，會對累積的電荷進行讀出，故Read操作開始的時刻可以認為是該幀曝光的結束時刻。

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

如果Reset Address和Read Address之間間隔了多個行時間，則曝光時間就等于 Exp_init + N * line_time。

一般情況下，曝光時間遠大于Exp_init，所以可粗略地認為曝光時間是行時間的倍數。

圖 行時間與曝光時間示意

2.3 高速模式下的行時間

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

圖Top 和Bottom ADC同時讀出2行示意

2.4 多行并行讀出與行時間

在某些特殊的sCMOS相機中，芯片內部ADC個數是像素列數的N倍，所以可實現N行同時曝光同時讀出。以千眼狼sCMOS相機Gloria 6504相機為例，芯片內部具有Top和Bottom兩組ADC，其中每組ADC包含4×2048個單元，所以對于任意一組ADC來說，在1個行時間內可以同時實現4行同時曝光和讀出，如下圖所示。

圖 Gloria 6504 HDR模式的行時間

對于Gloria 6504的高速模式，就是在一個行時間內Top和Bottom兩組ADC分別對4行像素進行讀出，總共在一個行時間內實現8行像素的讀出。

圖 Gloria 6504 高速模式的行時間

2.5 Gloria 6504的行時間

Gloria 6504行時間均由寄存器生效的內部讀出結構決定，非來自外部提供的時序。

3. Gloria 6504應用場景與工作模式推薦

3.1 高速運動目標成像

• 場景：快速運動的細胞，細胞膜動態(tài)變化，微流場中粒子追蹤等

• 需求：第一優(yōu)先級為幀率，第二為亮度與噪聲

• 推薦：高速高增益模式 12 bit STD High

• 技術：高增益放大信號，一個行時間13 μs內可并行讀出8行。

3.2 高動態(tài)范圍成像

• 場景：激光散射、熒光成像、電子顯微鏡、半導體檢測等

• 需求：第一優(yōu)先級為看清亮暗細節(jié)

• 推薦：高動態(tài)模式16 bit HDR 

• 技術：FPGA融合高、低增益圖像數據

3.3 弱光成像

• 場景：單分子成像、熒光顯微等

• 需求：第一優(yōu)先級為信噪比

• 推薦：高速高增益模式12 bit STD High

• 技術：高增益放大信號，一個行時間13 μs內可并行讀出8行。

  
  

4. 結語

工作模式與行時間是第二代背照式制冷sCMOS相機Gloria 6504最核心的兩項技術概念，工作模式定義了相機內部如何讀出數據，行時間定義相機讀出一行數據需要多久，兩者共同決定了sCMOS相機的幀率、靈敏度、噪聲、動態(tài)范圍和曝光等核心性能。掌握工作模式到行時間到曝光與幀率的關系鏈條，將有助于研究人員在各種復雜的科學成像實驗中匹配最合適的成像策略。