混合分箱介绍

简介

Retiga E7 CMOS 相机具有混合像素合并功能，结合了 CCD 和 CMOS 技术的优势。在本文中，我们将讨论像素合并、像素合并的优势，以及 Retiga E7 CMOS 的混合像素合并如何通过传感器上精心的电子设计，同时提高速度和信噪比(SNR)。

虽然 CCD 和 CMOS 的像素合并效果不同，各自以不同的方式影响速度和灵敏度，但混合像素合并将两种模式的优势汇聚到了 Retiga E7 CMOS 上。继续阅读了解其工作原理!

分箱

像素合并是将多组像素组合成一个“超像素”的过程，通常采用2×2、4×4等像素方格。在2×2合并模式下，传感器上每个2×2的像素方格都会合并成一个面积扩大四倍的超像素。这些更大的超像素能从样本中收集更多信号(光子)并产生更多噪声，但信号的增幅通常大于噪声的增幅，这意味着像素合并会提高相机的灵敏度(更高的信噪比)，但由于所有像素都变大了，分辨率也会降低。2×2和4×4合并的示例可见于图1.

图1：不同级别的像素合并。每张图片都展示了一个代表性的像素阵列、一张红细胞图像以及一个放大插图。普通图像采用8×8像素阵列(64像素)，分辨率最高但灵敏度最低。2×2像素合并将每个2×2网格合并为一个面积为4倍的像素，此时阵列仅剩16个像素，灵敏度提升4倍但分辨率降低。4×4像素合并则产生4像素阵列(面积为16倍)，灵敏度进一步提升但图像分辨率降低。

考虑像素合并时的一个重要因素是使用CCD或CMOS传感器进行像素合并的区别。在CCD中，信号光电子可以在像素之间移动，因此CCD 2×2像素合并涉及将2×2网格中的所有电子分组，然后将该部分作为一个整体读出，这被称为片上像素合并。在典型的CMOS中，每一列都有一个读出节点，这意味着光电子无法在列之间移动，因此无法进行片上像素合并。这意味着CMOS像素合并是在芯片外进行的。传感器每一列都设有读出节点，使得CMOS相机能够以更快的速度采集图像，但这确实意味着CMOS像素合并通常在采集后以数字方式进行。这一过程在图2.

图2中有所概述：CCD传感器与CMOS传感器的区别。左侧为CCD，信号光电子可以在传感器像素之间移动。读取时，信号被拉入单个读取节点。右侧是CMOS，信号的光电子被微型化每个传感器像素上的电子，但该信号无法在列之间移动。读取时，信号被拉入每列的读取节点。CMOS读取速度快得多，但任何分箱都在芯片外发生，而CCD分箱在芯片内发生。

分箱灵敏度：CMOS与CCD

CCD传感器与CMOS传感器的像素合并(Binning)方式不同。CCD传感器的像素合并发生在读出前的芯片上，所有待合并像素的电子被简单合并后按常规读出。这种方式在像素间移动累积信号几乎不产生噪声，因此CCD的2×2像素合并使信号增加4倍(像素面积扩大4倍)，而噪声保持不变，从而使信噪比(SNR)提高4倍(信号与噪声比为4:1)。

在典型的CMOS传感器中，相邻像素之间没有电气连接，像素合并是在读出后在芯片外进行的。这意味着虽然CMOS像素合并增加了信号收集，但也增加了传感器的读出噪声。对于CMOS的2×2像素合并，信号增加4倍(像素面积为原来的4倍)，而噪声增加2倍，从而使信噪比(SNR)提高2倍(信号与噪声比为4:2或2:1)。

因此，通过这种方式，像素合并提高了CCD和CMOS的相机灵敏度，但CCD的提升程度更大(CCD的信噪比提高4倍，CMOS的信噪比提高2倍)。

像素合并速度：CMOS与CCD

像素合并(Binning)也会影响速度。由于CCD的像素合并发生在读出之前，将像素组合在一起后需要读出的像素更少，这意味着读出速度更快，相机能够以更高的速度运行。以我们的Retiga R6 CCD为例，相机在全传感器不合并像素时运行速度为7 fps，而进行2×2像素合并时运行速度可达11 fps。这意味着CCD的像素合并技术同时提升了速度和灵敏度。鉴于CCD是一种成像速度较慢的技术，这种速度的提升非常实用。

而在CMOS中，由于像素合并发生在读出后的芯片外，相机读出的像素数量保持不变，这意味着像素合并对速度没有影响，仅能提高灵敏度。不过，CMOS相机本身就比CCD相机快得多，入门级的Moment CMOS在全传感器下标准运行速度即可达50 fps。

混合分箱

混合像素合并技术结合了CCD和CMOS像素合并的优势。混合CMOS传感器(如Retiga E7 CMOS中的传感器)在像素之间设有电气连接，通常位于同一列。这使得同一列中的像素能够像CCD那样积累电荷而不会产生额外噪声，只有在与相邻行合并时才会增加噪声。在Retiga E7 CMOS上采用2×2混合像素合并时，像素列在读出前进行合并(CCD方式)，而像素行在读出后进行合并(CMOS方式)。这始终能提供4倍的信号增益，但现在的噪声增加幅度比典型CMOS更小，从而使信噪比(SNR)整体提升2.8倍(相比之下，典型CMOS仅提升2倍)。

除了比典型CMOS具有更高的灵敏度提升外，混合传感器还从像素合并中获得速度优势，这与CCD类似。通过2×2像素合并，Retiga E7 CMOS的速度翻倍，这意味着它在全画幅未合并时可达51 fps的采集速度，而在2×2像素合并时可达102 fps。这种速度和灵敏度的双重提升，既体现了CCD像素合并的特性，又兼具了CMOS更高的基础速度。

总体而言，混合像素合并技术兼具两者的优势，既拥有CMOS的所有优点，又具备CCD的片上像素合并功能。Retiga E7 CMOS将混合像素合并技术引入科学相机，在众多应用中实现了更快速、更灵敏的成像。

图3：CCD、CMOS和混合CMOS传感器之间的区别。在混合CMOS传感器中，存在电气连接，位于一列中的像素(类似于CCD)，并且每一列都有自己的读出节点(类似于CMOS)。这种混合方法实现了CMOS的快速读出和CCD的片上像素合并。

混合分箱带来的直接速度优势可见于表1，该表详细列出了Retiga E7 CMOS在每种模式下的帧率(图像采集速度)：

表1：Retiga E7在不同模式下的速度，包括未合并像素和2×2合并像素。

总结

Retiga E7 CMOS提供混合像素合并技术，将CCD像素合并的所有优势带到了CMOS传感器上。Retiga E7的2×2像素合并将使灵敏度提高2.8倍，速度提高2倍，使Retiga E7成为科学成像领域强大且灵活的解决方案。