在科学成像中，sCMOS相机因其高灵敏度、低读出噪声和高动态范围等特性，广泛应用于细胞生物成像、物理光电成像、天文观测、工业检测等领域。实验研究中用户最常遇到两个核心技术名词“工作模式（Operating Mode）”和“行时间（Line Time）”，直接影响sCMOS相机曝光、帧率、信噪比和动态范围等关键性能。

1. 工作模式

1.1 工作模式由来：

sCMOS相机科研实验使用中，用户需调整两类参数，第一类是快速修改即时生效的参数，如曝光时间、帧率，修改仅需重新设置寄存器，通常在几个行周期完成，耗时仅几十微秒。第二类是需要触发CMOS芯片复位与重新训练的参数，包含增益、ADC配置、读出架构、快门时序等，耗时长（百毫秒级），代价大，不适合频繁修改，故通常被封装成几种稳定、经过测试的“工作模式”。

1.2 工作模式构成参数详解

1.2.1 增益

sCMOS相机切换增益时需调校多项内部寄存器、DAC、电压和校正参数，为保障图像质量，sCMOS相机通常只开放经过严格调校的高增益、低增益两个固定档位，高增益模式读出噪声更低，适用于暗场、弱光场景，低增益模式拥有更大满阱，适用于亮场、高动态场景。

1.2.2 读出

sCMOS相机拥有Top和Bottom两组ADC，通过改变两组ADC工作方式，实现不同的读出模式：

I.高速模式（STD）：Top和Bottom两组ADC设置相同PGA增益，奇偶行并行读出，实现高帧率。

II.高增益模式/低增益模式：Top和Bottom两组ADC分别设置高/低增益，仅输出一种，实现高/低增益图像的捕捉。

III.高动态模式(HDR)：两组ADC分别设置高、低增益并同时输出，由FPGA融合高、低增益图像，实现高动态范围。

IV.CMS模式：两组ADC设置相同的PGA增益并同时输出，由FPGA合成一帧更低噪声的图像数据。

1.2.3 快门

sCMOS相机芯片可能支持Rolling Shutter、Rolling Shutter with Global Reset、Global Shutter三种快门模式的一种或同时支持，不同快门在时序和寄存器配置上存在差异，且图像校正参数也不同，所以快门方式对外也可以按照工作模式区分。中科君达视界的sCMOS相机产品图谱中，将快门与工作模式分开，由用户独立选择。

1.3 Gloria 6504工作模式

千眼狼sCMOS相机Gloria 6504所有读出链路均采用12 bit ADC，但通过不同的读出结构、增益路径，形成2种对外开放的常用工作模式以适配特定科学成像需求：

2. 行时间

2.1 什么是行时间

行时间是指sCMOS相机传感器读取并复位单行像素数据所需的时间，行时间是理解曝光时间、帧率和时序行为的关键参数。一个行时间的时序图通常包含Read和Reset两个阶段，不同行之间时序结构一致。

2.2 行时间与曝光时间的关系

对于卷帘快门的sCMOS相机而言，所有像素操作是按照行进行的，每一行的读出时间不能重叠。默认情况下所有的像素一直都处在曝光状态，当执行Reset操作后把当前像素（之前的时间内）累积的电荷清空，所以Reset操作执行结束的时刻可以认为是下一帧曝光的开始时刻。当对该行进行Read操作时，会对累积的电荷进行读出，故Read操作开始的时刻可以认为是该帧曝光的结束时刻。

如果前一个行时间的Reset Address与下一个行时间的Read Address相同，那么这一行的曝光时间小于一个行时间且是一个固定值Exp_init（最小曝光，由下方的具体时序决定，每个模式下稍有差别）。

如果Reset Address和Read Address之间间隔了多个行时间，则曝光时间就等于 Exp_init + N * line_time。

一般情况下，曝光时间远大于Exp_init，所以可粗略地认为曝光时间是行时间的倍数。

图 行时间与曝光时间示意

2.3 高速模式下的行时间

sCMOS相机高速模式中，在一个行时间内，会对Top和Bottom分别读出一行，即每个行时间内读出两行，这是高速模式下行时间与普通模式下的最大区别。所以高速模式在计算帧周期时，用行时间乘以图像高度的一半即可。

图Top 和Bottom ADC同时读出2行示意

2.4多行并行读出与行时间

在某些特殊的sCMOS相机中，芯片内部ADC个数是像素列数的N倍，所以可实现N行同时曝光同时读出。以千眼狼sCMOS相机Gloria 6504相机为例，芯片内部具有Top和Bottom两组ADC，其中每组ADC包含4×2048个单元，所以对于任意一组ADC来说，在1个行时间内可以同时实现4行同时曝光和读出，如下图所示。

图 Gloria 6504 HDR模式的行时间

对于Gloria 6504的高速模式，就是在一个行时间内Top和Bottom两组ADC分别对4行像素进行读出，总共在一个行时间内实现8行像素的读出。

图 Gloria 6504 高速模式的行时间

2.5 sCMOS相机Gloria 6504的行时间

Gloria 6504行时间均由寄存器生效的内部读出结构决定，非来自外部提供的时序。

3. Gloria 6504应用场景与使用推荐

3.1 高速运动目标成像

● 场景：快速运动的细胞，细胞膜动态变化，微流场中粒子追踪等

● 需求：第一优先级为帧率，第二为亮度与噪声

● 推荐：高速高增益模式12 bit STD High

● 技术：高增益放大信号，一个行时间13 μs内可并行读出8行。

3.2 高动态范围成像

● 场景：激光散射、荧光成像、电子显微镜、半导体检测等

● 需求：第一优先级为看清亮暗细节

● 推荐：高动态模式16 bit HDR

● 技术：FPGA融合高、低增益图像数据

3.3 弱光成像

● 场景：单分子成像、荧光显微等

● 需求：第一优先级为信噪比

● 推荐：高速高增益模式12 bit STD High

● 技术：高增益放大信号，一个行时间13 μs内可并行读出8行。

4. 结语

工作模式与行时间是第二代背照式制冷sCMOS相机Gloria 6504最核心的两项技术概念，工作模式定义了相机内部如何读出数据，行时间定义相机读出一行数据需要多久，两者共同决定了sCMOS相机的帧率、灵敏度、噪声、动态范围和曝光等核心性能。掌握工作模式到行时间到曝光与帧率的关系链条，将有助于研究人员在各种复杂的科学成像实验中匹配最合适的成像策略。

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责任编辑：kj005

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