1.简述

夜视技术市场涵盖了广泛的应用，主要目的在于给操作员提供视觉辅助分析。通常要求系统具有良好的便携性以及低功耗。现代的夜视系统已数字化并带有高端图像处理功能，可以实现模糊场景分析。在这样的要求下，图像传感器本身的性能就变得极其重要。理想状况，极度低光照状态下每一个光子都必须转化为有效信号，从而最终图像可以清晰分辨所有细节。本文章对主要用于评估低照度性能的传感器关键参数、建模和度量法作出探讨。

2.传感器特征

本文工作是基于Teledyne e2v一款用于低照度科研CMOS图像传感器（CIS），560万像素分辨率（2440x2304）。其像素为6.5微米，支持全局快门跟卷帘快门模式，最大速度为88帧每秒。这一单芯片架构属全数字并为非常低噪声应用作出优化[1]。这一CIS能够在全速卷闸快门下实现亚电子时间噪声，并在全局快门下实现5电子时间噪声。

这一传感器最初是基于标准CMOS工艺设计，然后转移到特定的厚和高阻抗硅物料(HiRes)以实现从可见光到近红外(NIR)更高灵敏度和良好的空间分辨率和更大的量子效率(QE)。像素的微透镜以零缝隙(zero-gap)方法优化，实现最大80%的量子效率。专有的像素彩色马赛克阵列或单色阵列，使得传感器适用于日间和夜视应用。

其它测试器件(DUT)的低亮度性能在表1中做了比较。

3.低照度相机和传感器设计

3.1.噪声水平

噪声是由以下各因素构成：

而最后的两个因素FPN和PRNU在系统校准后不再出现，因而可以忽略。

在低辐照下，读出和暗噪声主导了信噪比(SNR)，而光子散粒噪声则在动态较高的位置有较大影响。要实现非常低光照水平下探测，噪声的大小是关键因素。光子计数成像要求噪声小于0.15 e-，这对于标准CMOS传感器来说是很大的挑战[2, 3]。特别对于一些像素内信号放大电晶管会产生随机电报噪声源(RTS)，导致一些像素出现非典型的高读出噪声，使得它们不适用于低照度感测[4]。对超低噪CMOS传感器设计而言，像素噪声是主导因素。换言之，模数转换器(ADC)和混合信号读出通道对于影像和视觉传感器性能来说是至关重要的。能够降低模拟读出噪声的设计方式之一，是去除取样存放步骤(sample-and-hold)，直接转换输出像素信号。我们之前的工作提出了一个基于两级ADC的新型架构，能够实现接近0.5电子噪声[1]。它同时展示了像素设计的重要性，以及电晶管工作和ADC分辨率的影响。

量化噪声最一种随机模拟噪声。模数转换器(ADC)将来自CMOS传感器的光电信号转换成数字信号。这便关乎到具体信号估算的不确定性。量化步长或数字量化值的选择必须能够让量化噪声跟其它噪声源相较可以忽略。量化数值以及它的不确定性取决于：