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CCD与CMOS传感器:技术原理、优缺点与应用领域全解析

CCD与CMOS传感器:技术原理、优缺点与应用领域全解析

CCD和CMOS是两种将光信号转换为电信号的图像传感器技术,它们是数码相机(包括光谱仪中的探测器)的“电子视网膜”。

它们的目标相同,但实现路径和特性有显著差异。下图清晰地展示了二者在信号读取路径上的根本区别:

1. CCD(电荷耦合器件)

核心原理:“模拟移位寄存器”

CCD的工作方式可以想象成一个集体传递水桶(电荷)的队伍。

CCD特点总结:

优点:因统一放大,噪声低、均匀性好、动态范围大、填充系数高(像素有效感光面积大),成像质量非常高。

缺点:制造工艺复杂、成本高、功耗大、读取速度慢(必须顺序读取),且无法实现随机访问像素。

2. CMOS(互补金属氧化物半导体)

核心原理:“每个像素都是一个独立的系统”

CMOS的工作方式可以想象成每个士兵都自带一个水桶,并且自己测量和上报水量。

CMOS特点总结:

优点:功耗低、读取速度快、集成度高(可将控制电路、ADC等全部集成在一个芯片上)、成本低(使用主流的半导体制造工艺)。

缺点:早期CMOS因每个像素旁有电路,填充系数低(感光面积小),导致灵敏度较低;各像素放大器一致性差,引入固定模式噪声;整体噪声水平曾高于CCD。

现状:

过去,CCD在画质上占优势,而CMOS则以低功耗和低成本主导了消费市场。如今,CMOS技术已飞速发展,在大多数领域,包括专业摄影、科研、工业检测和光谱分析,已成为主流和首选技术。

鉴知技术的CMOS光谱仪产品线正是这一趋势的杰出代表。其中,微型光纤光谱仪SR50C采用线阵CMOS信号处理系统,拥有高信噪比。它采用交叉式C-T光路设计,实现了小体积与高性能的结合,适于搭建各种常见的光谱测量系统,可覆盖200~1100nm范围,实现反射、透射及吸收光谱的测量。通过更换不同刻线密度的光栅,还可轻松实现紫外、可见光、近红外波段的高分辨率检测。此外,该系列还提供高分辨率型号SR75C,以满足不同层级的需求。

尽管CMOS已成为主流,CCD技术因其卓越的线性响应和均匀性,依然在对这些性能有高要求的特殊科研领域不可或缺。鉴知技术SR100系列正是为此类高端应用打造。该系列采用面阵背照式CCD芯片(SR100B像素为2048*64,像素尺寸14*14μm),具有感光面积更大、光谱稳定性更高的特点。

 SR100B在200~1100nm区域内量子效率接近80%,紫外波段也高达60%。

 SR100Z采用制冷型面阵背照式CCD芯片,不仅能接收更多光信号、大幅提升信噪比,更实现了200~1100nm区域量子效率达线阵传感器的2倍,紫外波段高达70%的惊人指标。

因此,SR100系列非常适用于要求高吸收/透过率检测、反射率检测、光源及激光波长检测,以及荧光光谱、拉曼光谱等精密分析领域。

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