1. 簡述
夜視技術市場涵蓋了廣泛的應用，主要目的在于給操作員提供視覺輔助分析。通常要求系統具有良好的便攜性以及低功耗。現代的夜視系統已數字化并帶有高端圖像處理功能，可以實現模糊場景分析。在這樣的要求下，圖像傳感器本身的性能就變得極其重要。理想狀況，極度低光照狀態下每一個光子都必須轉化為有效信號，從而最終圖像可以清晰分辨所有細節。本文章對主要用于評估低照度性能的傳感器關鍵參數、建模和度量法作出探討。
2. 傳感器特征
本文工作是基于Teledyne e2v一款用于低照度科研CMOS圖像傳感器（CIS），560萬像素分辨率（2440x2304）。其像素為6.5微米，支持全局快門跟卷簾快門模式，最大速度為88幀每秒。這一單芯片架構屬全數字并為非常低噪聲應用作出優化[1]。這一CIS能夠在全速卷閘快門下實現亞電子時間噪聲，并在全局快門下實現5電子時間噪聲。
這一傳感器最初是基于標準CMOS工藝設計，然后轉移到特定的厚和高阻抗硅物料(HiRes)以實現從可見光到近紅外(NIR)更高靈敏度和良好的空間分辨率和更大的量子效率(QE)。像素的微透鏡以零縫隙(zero-gap)方法優化，實現最大80%的量子效率。專有的像素彩色馬賽克陣列或單色陣列，使得傳感器適用于日間和夜視應用。
其它測試器件(DUT)的低亮度性能在表1中做了比較。
3. 低照度相機和傳感器設計
3.1. 噪聲水平
噪聲是由以下各因素構成：
而最后的兩個因素FPN 和 PRNU 在系統校準后不再出現，因而可以忽略。
在低輻照下，讀出和暗噪聲主導了信噪比(SNR)，而光子散粒噪聲則在動態較高的位置有較大影響。要實現非常低光照水平下探測，噪聲的大小是關鍵因素。光子計數成像要求噪聲小于0.15 e-，這對于標準CMOS傳感器來說是很大的挑戰[2, 3]。特別對于一些像素內信號放大電晶管會產生隨機電報噪聲源(RTS)，導致一些像素出現非典型的高讀出噪聲，使得它們不適用于低照度感測[4]。對超低噪CMOS傳感器設計而言，像素噪聲是主導因素。換言之，模數轉換器(ADC)和混合信號讀出通道對于影像和視覺傳感器性能來說是至關重要的。能夠降低模擬讀出噪聲的設計方式之一，是去除取樣存放步驟(sample-and-hold)，直接轉換輸出像素信號。我們之前的工作提出了一個基于兩級ADC的新型架構，能夠實現接近0.5電子噪聲[1] 。它同時展示了像素設計的重要性，以及電晶管工作和ADC分辨率的影響。
量化噪聲最一種隨機模擬噪聲。模數轉換器(ADC)將來自CMOS傳感器的光電信號轉換成數字信號。這便關乎到具體信號估算的不確定性。量化步長或數字量化值的選擇必須能夠讓量化噪聲跟其它噪聲源相較可以忽略。量化數值以及它的不確定性取決于：
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