高光譜成像儀探測器有哪些類型?高光譜成像儀作為一種光學(xué)儀器,其最為核心的部件就是探測器,它主要用于將光電信息轉(zhuǎn)換為圖像信息。目前,常見的探測器有CCD、CMOS、EMCCD、sCMOS等。那么,CCD和CMOS什么區(qū)別?本文為大家做了介紹,感興趣的朋友可以了解一下!
高光譜成像儀探測器的類型:
在高光譜成像系統(tǒng)中,圖像傳感器用來實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換,它的選擇很重要。常見的探測器有CCD、CMOS、EMCCD、sCMOS。
CCD是一種電荷耦合器件,工作原理是將光信號通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化成電子,其成像區(qū)域與功能區(qū)域?qū)嶋H上是分離開的,因為像元會按照每一行的順序?qū)⑺占降碾娮觽鬏數(shù)焦餐妮敵錾?,再將電荷記錄成電壓暫時存儲在寄存器中,最后存儲在成像區(qū)域之外,CCD圖像傳感器具有高靈敏度。
CMOS是集成電路的一種,最早被稱為絕緣柵場效應(yīng)晶體管,在CMOS圖像傳感器中,在每一個像素上,電子轉(zhuǎn)換成電壓,可以將很多功能集成進(jìn)芯片,讀取圖像更靈活,但是其光敏單元在像元整體面積中所占比例較低。
EMCCD是一種高端光電探測產(chǎn)品,也叫做電子倍增CCD,是一種新興的微弱光信號增強(qiáng)探測技術(shù),在CCD的基礎(chǔ)上增加了增益寄存器,光子通過寄存器,不斷撞擊器壁,因此,光生電荷的數(shù)量被放大,由此提高了CCD的感光靈敏度,同時降低讀出噪聲。
sCMOS是科學(xué)級CMOS,具有低噪聲、高幀頻和高動態(tài)范圍等優(yōu)點,是最新圖像傳感器技術(shù),實質(zhì)上是CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器的結(jié)合,其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CCD和CMOS探測器。
前照式圖像傳感器適用于低照度的環(huán)境中,其結(jié)構(gòu)由微透鏡組、濾光鏡、電路層以及光電二極管組成,光線首先通過微透鏡組,經(jīng)過濾光鏡過濾成紅、綠、藍(lán)三種光,穿過電路層后,被光電二極管接收,因此形成彩色圖像,這些很多層狹小的電路層會對部分光線產(chǎn)生阻擋或者發(fā)生反射,對光線的利用率不到70%。背照式圖像傳感器與前照式圖像傳感器相比,是對背照式圖像傳感器的結(jié)構(gòu)做出調(diào)整,將電路層和光電二極管的位置互換,提高了背照式相機(jī)的光利用率,光幾乎不被阻擋和干擾,然后被光電二極管捕獲,背照式相機(jī)的靈敏度和信噪比也高于前照式相機(jī),更適用于暗場工作環(huán)境。因此,本系統(tǒng)采用背照式相機(jī)。
背照式sCMOS科學(xué)相機(jī)的選擇主要是考慮探測器的像元數(shù)、像元尺寸、量子效率等。探測器的量子效率(QE)代表著光電器件的光電轉(zhuǎn)換能力,是指單位時間產(chǎn)生的光電子數(shù)目與入射光子數(shù)目的比值,當(dāng)其他條件相同的情況下,量子效率越高,可轉(zhuǎn)換為電信號越多,所獲得圖像的信噪比也就越高。
CCD探測器和CMOS探測器的區(qū)別:
作為兩種最為常用的圖像傳感器,CCD和CMOS之間有著諸多的差異,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
1.結(jié)構(gòu)的不同
CCD傳感器中每一行中每一個像素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個像素中,由最底端部分輸出,再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出;而在CMOS傳感器中,每個像素都會鄰接一個放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路,用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。
2.靈敏度的比較
靈敏度代表傳感器的光敏單元收集光子產(chǎn)生電荷信號的能力。CCD圖像傳感器靈敏度較CMOS傳感器高30%-50%。這主要因為CCD像元耗盡區(qū)深度可達(dá)10mm,具有可見光及近紅外光譜段的完全收集能力,而CMOS的象元對紅光及近紅外光的吸收比較困難。
3.響應(yīng)速度
由于CCD采用了串行連續(xù)掃描的工作方式,可以一次性的讀出整行或者整列的數(shù)據(jù)。而CMOS采用的是單點信號傳輸?shù)姆绞?,通過簡單的二維坐標(biāo)平面尋址技術(shù),可以對任意的象元讀出數(shù)據(jù),故基于CMOS技術(shù)的圖像傳感器的信號傳輸速度較快。
4.噪聲比較
CCD有專屬的數(shù)據(jù)通道,可以保證信號傳輸?shù)牟皇д妫WC了圖像的完整性。而CMOS的每個象元都直接連接到AD轉(zhuǎn)換器上,沒有專門的通道可以使用,造成了噪點的增加,影響了到圖像的品質(zhì)。
5.成本比較
CCD傳感器的中一個象元的損壞就會導(dǎo)致整排或整列數(shù)據(jù)不能傳送,而CMOS圖像傳感器采用的是半導(dǎo)體電路常用的CMOS工藝,所以其周邊電路可以很容易的集成到芯片中,節(jié)省了成本。故CCD傳感器的成本要高于CMOS。
總的來說,雖然CCD和CMOS圖像傳感器在各方面的比較中各有優(yōu)勢,但是由于CCD傳感器在靈敏度和控制噪聲方面的優(yōu)越表現(xiàn),使它逐漸成為了圖像傳感器的主流。