从图像传感器到微型光谱仪的进阶之路，滨松有话说

发布时间： 2023-04-17 16:56:00 来源：滨松中国

如果把一台微型光谱仪解构来看：微型光谱仪 = 光学设计 + 图像传感器 + 电路设计，可以说图像传感器的性能对于微型光谱仪的性能和产品定位具有决定性的影响。

今天咱们就先从CCD、CMOS、InGaAs图像传感器入手，与大家一同分析一下内置在光谱仪中的图像传感器应该有着什么的“神通”，而这样的“神通”又为我们带来了何种不同性能的光谱仪。

“短波近红外”—图像传感器

首先来看紫外~可见~近红外波段，也就是Si材料可以响应的180~1050 nm这一段。在这一段，滨松的图像传感器大致上可以分为三类：CMOS、背照式CCD、前照式CCD。

以短波近红外为例，以下是特别适合短波近红外段的三款图像传感器：

我们以该表为基础分别来解析一下每一种传感器的优劣之处。

背照式CCD图像传感器

背照式CCD 是基础性能最好的传感器类型，量子效率最高，800 nm的QE达到了86%。同时，每一列的有效感光面积也最大（14 um x 896 um）。单列面积越大探测器的，制作成光谱仪后，其灵敏度也就越高。不过，成本也会上升。

背照式CCD主要用在中高端的微型光谱仪中，一般都有制冷的型号，来应对需要低暗噪声，长曝光时间的场景，可以检测一些微弱信号，比如弱拉曼光、弱荧光。

举例来说，如果您需要检测785激光散射出来的微弱拉曼光，那么800~1000 nm段量子效率很高的S16010-1106的制冷版本 S16011-1106，就是一个推荐的选择。

图1 S16011-1106，点击此处获取产品资料

CMOS图像传感器

CMOS图像传感器是性价比较高的传感器类型。这类光谱探测器一般总感光面积不是最大的，但在多数情况下是够用的。

滨松最经典的CMOS传感器产品是S11639-01，它优异的高性价比使得它成为了市面上200~1000 nm段常规微型光谱仪的最常见选择之一。

图2 S11639-01，点击此处获取产品资料

前文对比中出现的S16514-2048-11正是基于S11639-01新推出的红外响应增强型，更适合手持式785拉曼光谱仪或者是高性价比的SW-NIR微型光谱仪。不同于最大化量子效率的背照式FFT-CCD，CMOS虽然同样以PN结为基础感光单元，但它集成了更多电路功能到探测器芯片上，可以实现电子快门等一些额外的功能。

图3 S16514-2048-11，点击获取产品资料

前照式CCD图像传感器

前照式CCD虽然没有背照式CCD那么高的量子效率，但它们往往可以通过成熟的工艺设计实现更多的特殊功能。比如前文提前S15729-01，它在具备良好的近红外响应的同时，可以实现超高的帧速率，可以在OCT等特殊应用场景下使用。

图4 S15729-01，点击此处获取产品资料

总结在短波近红外波段：

背照式CCD图像传感器基础性能最好；

CMOS图像传感器性价比最好；

前照式CCD图像传感器可以实现更多功能设计；

“近红外波段”—图像传感器

近红外波段也就是InGaAs材料可以响应的900~2500 nm这一段。InGaAs图像传感器本质上是InGaAs的光电二极管阵列+Si CMOS读出电路，它也分为前照式和背照式两种，这种区分也体现在如何键合一个InGaAs光电二极管阵列和一个CMOS电路芯片。

图5 左：前照式右：背照式

前照式InGaAs图像传感器

在前照式设计中，CMOS读出电路芯片放置在InGaAs光电二极管阵列旁边，通过金线键合。正面入射无阻挡，整体灵敏度更高。不过实话实说，这样会导致芯片尺寸较大，需要的键合空间也会更大。最直接的问题是512像素的前照式InGaAs图像传感器需要2条总线分别读取奇数像素和偶素像素的信号，否则芯片内的键合空间就不够用了。这样的2条总线的设计，就会导致探测器芯片整体的奇数像素和偶数像素的输出值有不同的基线水平。

背照式InGaAs图像传感器

背照式InGaAs图像传感器是把InGaAs 光电二极管阵列翻过来直接耦合在CMOS读出电路芯片上，可以规避奇偶总线的问题，整体上也可以获得更小的封装尺寸，但入射光从InGaAs图像传感器背面入射（结构与材料上的差异导致目前不能对InGaAs做如同背照式CCD那样的背面减薄处理），信号光需要走过更长的路才能到达真正感光的PN结，探测器的整体灵敏度就会有所损失。