2-1.   传感器读出结构

如下图2-1是ORCA-Quest相机qCMOS传感器的读出结构，和标准sCMOS传感器的非常相似。每一个像素有一个光电二极管（PD）和浮动扩散放大器（FDA）。在PD中，光子转化为光电子，在FDA中，光电子转化为电压。FDA是传感器产生读出噪声的主要因素。每一列有两个相关双采样（CDSs）和列模数转换器（ADCs）。奇数和偶数行同时从顶部和底部读出，奇数和偶数行通过不同的CDSs和ADCs读出。

2-2.  背照式传感器

ORCA-Quest相机qCMOS传感器，是最前沿的背照式传感器，不仅仅有高QE，还具有高分辨率。

2-3.  深沟槽隔绝结构

ORCA-Quest具有深沟槽像素结构，是科学级图像传感器的创新。背照式传感器的厚度被减薄到小于20μm，来获得在短波和可见光波长的高分辨率。对于具有小像素尺寸的传感器，需要较薄的传感器来获得高分辨率。相反，越薄的传感器会造成在近红外波长（NIR）较低的量子效率。所以，对传感器厚度，在分辨率和量子效率之间就要做一个权衡。

ORCA-Quest的传感器，在每个像素上都有深沟槽结构，有足够的厚度来保证NIR-QE，即使传感器尺寸只有4.6μm，也可以同时具有高分辨率和NIE-QE。沟槽结构可以反射入射的光子，防止光子到相邻的像素上去。不仅仅是入射光子，也可以防止光电子迁移到相邻像素。

2-4.   片上微透镜

ORCA-Quest的每一个像素上都具有片上微透镜，微透镜可以补偿因为深沟槽隔离（DTI）结构造成的有效面积损失，从而提高量子效率。

2-5.   量子效率

如下图2-3是ORCA-Quest的量子效率曲线，峰值量子效率90%@475nm，33%@900nm，即使像素尺寸只有4.6μm，在750nm-1000nm之间的近红外区域量子效率也特别高。

2-6.   MTF（调制传递函数）

qCMOS传感器具有深沟槽结构，可以隔绝像素，并且限制电子转移到相邻像素上，这样会提高MTF。图2-4显示qCMOS和BSI第二代sCMOS在565nm的MTF对比，可以看到qCMOS具有更好的MTF。因为两个传感器的像素尺寸不同，这个图显示了补偿了像素尺寸差别的归一化的MTF。

2-7.   消除标准具效应

当入射光和硅背面反射光发生干涉时，会产生标准具效应现象，这个效应取决于空间和光谱位置，会使得灵敏度改变。

图2-5为BSI EM-CCD和qCMOS使用均一单色光入射时图像的差别。即使是采用均一单色光输入，EM-CCD可以看到干涉条纹，而qCMOS没有明显的干涉条纹。

2-8.   传感器尺寸

qCMOS传感器的像素尺寸小于大多数其他科学级传感器，而像数数更多。qCMOS的对角线是21.6mm，可以和视场直径22mm的显微镜物镜以及像面直径21.63mm的4/3镜头良好兼容。

图2-7为qCMOS、第二代sCMOS和EM-CCD的像素数差别。如果像素分辨率光学地调整到相同，qCMOS可以比其他相机获得更大的成像面。

2-9.   数字化

在前面传感器读出结构中提到过，ORCA-Quest的qCMOS传感器在每列的上部和底部有两个列ADCs。每个列ADC都有一个AMP和ADC用于高增益和低增益。用于高和低增益的ADCs是11bit，通过在现场可编程门阵列（FPGA）中合并高和低11bit，输出16bit。

2-10.  单方向同时双行读出

在传感器读出结构中解释过，ORCA-Quest的qCMOS传感器在每一列的顶部和底部具有两个列ADCs。这两行按照相同的方向从顶部到底部（或底部到顶部）同时读出，这和其他第二代CMOS传感器按照两个方向读出完全不同。ORCA-Quest的qCMOS传感器设计为rolling快门，而不是global快门，来获得比第二代CMOS传感器更低的读出噪声。