科研CCD相机常见术语

CCD相机和CMOS相机的比较

2020-03-02 16:21:14 42

什么是CMOS

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)是互补金属氧化物半导体。CMOS相机原理框图如下:


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CMOS相机主要组成部分是像敏单元阵列和MOS场效应管集成电路,这两部分是集成在同一块硅片上。也就是是说,每个像素包括两个部分:感光部分像敏单元将光转换成点信号,信号预处理部分 – MOS场效应管。像素也是排成阵列,与CCD不同,每个像素都有其XY地址,并可分别由两个方向的地址译码器进行选择;输出信号送A/D转换器进行模数转换,变成数字信号输出。


CMOS相机像素结构

CMOS相机像素结构主要有无源像素图像传感器(Passive Pixel Sensor, PPS)和有源像素图像传感器(Active Pixel Sensor, APS)两种。下图是示意图

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APS结构像素的放大器具有放大和缓冲功能,光生电子信号在像素内放大,然后用X-Y地址方式读出。

光敏二极管可以是CCD相同的MOS电容结构。

CMOS相机的像素信号是先放大-再读出。

CCD相机和CMOS相机的比较

相同之处:

探测机理相同,都是利用光电效应。

不同之处:

1.         CCD使用LSI(大规模集成电路)相差甚远的制造工艺,CMOS基于CMOS LSI制造工艺。

2.         CCD入射光产生的信号电荷未经放大,利用CCD耦合机理转移到输出电路,在输出电路放大信号;CMOS在像素内就对入射光产生的信号电荷进行了放大,再利用XY地址方式选择读出放大后的信号电压或电流。CCD需要依次将像素电荷包向移位寄存器移动,通过移位寄存器输出信号,转移费时,而CMOS像素的信号直接读出。相对而言,CMOS没有CCD电荷包转移过程引入的转移噪声。此外,CCD在电荷包转移过程中,容易受到漏光的影响,CMOS直接读出,转移过程则不受漏光噪声的影响;

3.         CCD相机按像素列(或行)排列顺序读出,而CMOSX-Y地址选择像素的方式读出,易于控制;

4.         CCD像素结构比较简单,CMOS像素结构复杂:包含光敏MOS、放大器、行选择开关(场效应管)等。

性能比较


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由于CMOS灵敏度、分辨率、暗电流、信噪比不如CCD,科学级相机,特别是测弱光,主要还是CCD

CCDCMOS相机的局限性

CCDCMOS的信号是一定时间间隔内的光电效应产生的电子数,是光生电子速率对时间的积分。而光生电子速率与光波长和光子流率相关,两束不同波长的光,当波长和光子流率满足一定的关系时,光生电子速率相同,因此CCD无法区分入射光波长,也就是说CCDCMOS没有能量分辨能力。

我公司代理的另外一种探测器混合光子计数器(Hybrid photon counter, HPC就没有这种局限,同时也能测量光子流率。



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