高光谱成像仪CCD探测器和CMOS探测器的区别

高光谱成像仪作为一种精密的光学仪器，其最为核心的部件就是探测器，它主要用于将光电信息转换为图像信息。目前，常见的探测器类型有CCD、CMOS、EMCCD、sCMOS等。本文对高光谱成像仪探测器的类型及CCD探测器和CMOS探测器的区别做了介绍，对此感兴趣的朋友不妨了解一下！

高光谱成像仪探测器的类型：

在高光谱成像系统中，图像传感器用来实现光电转换，它的选择很重要。常见的探测器有CCD、CMOS、EMCCD、sCMOS。

CCD是一种电荷耦合器件，工作原理是将光信号通过光电效应转化成电子，其成像区域与功能区域实际上是分离开的，因为像元会按照每一行的顺序将所收集到的电子传输到共同的输出上，再将电荷记录成电压暂时存储在寄存器中，最后存储在成像区域之外，CCD图像传感器具有高灵敏度。

CMOS是集成电路的一种，最早被称为绝缘栅场效应晶体管，在CMOS图像传感器中，在每一个像素上，电子转换成电压，可以将很多功能集成进芯片，读取图像更灵活，但是其光敏单元在像元整体面积中所占比例较低。

EMCCD是一种高端光电探测产品，也叫做电子倍增CCD，是一种新兴的微弱光信号增强探测技术，在CCD的基础上增加了增益寄存器，光子通过寄存器，不断撞击器壁，因此，光生电荷的数量被放大，由此提高了CCD的感光灵敏度，同时降低读出噪声。

sCMOS是科学级CMOS，具有低噪声、高帧频和高动态范围等优点，是最新图像传感器技术，实质上是CCD图像传感器和CMOS图像传感器的结合，其性能远远高于CCD和CMOS探测器。

前照式图像传感器适用于低照度的环境中，其结构由微透镜组、滤光镜、电路层以及光电二极管组成，光线首先通过微透镜组，经过滤光镜过滤成红、绿、蓝三种光，穿过电路层后，被光电二极管接收，因此形成彩色图像，这些很多层狭小的电路层会对部分光线产生阻挡或者发生反射，对光线的利用率不到70%。背照式图像传感器与前照式图像传感器相比，是对背照式图像传感器的结构做出调整，将电路层和光电二极管的位置互换，提高了背照式相机的光利用率，光几乎不被阻挡和干扰，然后被光电二极管捕获，背照式相机的灵敏度和信噪比也高于前照式相机，更适用于暗场工作环境。因此，本系统采用背照式相机。

背照式sCMOS科学相机的选择主要是考虑探测器的像元数、像元尺寸、量子效率等。探测器的量子效率（QE）代表着光电器件的光电转换能力，是指单位时间产生的光电子数目与入射光子数目的比值，当其他条件相同的情况下，量子效率越高，可转换为电信号越多，所获得图像的信噪比也就越高。

高光谱成像仪CCD探测器和CMOS探测器的区别：

作为两种最为常用的图像传感器，CCD和CMOS之间有着诸多的差异，主要表现在以下几个方面：

1.结构的不同

CCD传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。

2.灵敏度的比较

灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力。CCD图像传感器灵敏度较CMOS传感器高30%-50%。这主要因为CCD像元耗尽区深度可达10mm，具有可见光及近红外光谱段的完全收集能力，而CMOS的象元对红光及近红外光的吸收比较困难。

3.响应速度

由于CCD采用了串行连续扫描的工作方式，可以一次性的读出整行或者整列的数据。而CMOS采用的是单点信号传输的方式，通过简单的二维坐标平面寻址技术，可以对任意的象元读出数据，故基于CMOS技术的图像传感器的信号传输速度较快。

4.噪声比较

CCD有专属的数据通道，可以保证信号传输的不失真，保证了图像的完整性。而CMOS的每个象元都直接连接到AD转换器上，没有专门的通道可以使用，造成了噪点的增加，影响了到图像的品质。

5.成本比较

CCD传感器的中一个象元的损坏就会导致整排或整列数据不能传送，而CMOS图像传感器采用的是半导体电路常用的CMOS工艺，所以其周边电路可以很容易的集成到芯片中，节省了成本。故CCD传感器的成本要高于CMOS。

总的来说，虽然CCD和CMOS图像传感器在各方面的比较中各有优势，但是由于CCD传感器在灵敏度和控制噪声方面的优越表现，使它逐渐成为了图像传感器的主流。