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CCD传感器仍具优势,CMOS有所不及
 感光耦合元件(Charge Coupled Device;CCD)影像传感器近年虽被互补性氧化金属半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor;CMOS)抢尽锋头,却仍是天文仪器与光谱仪应用首选,预料未来有望提升在一般性中阶市场与利基市场的应用规模。

  据Photonics Spectra网站报导,过去数十年,CCD影像感测元件逐渐被CMOS元件取代,后者已成为手机相机、监控系统等应用的主流选择。CCD感光元件敏感度高、读出杂讯(readout noise)少,也因此主导感光元件产业30余年。

  然而,由于CMOS感光元件技术近年大幅升级,强化解析度、读出速度,降低杂讯、价格下降等优势,导致许多感光元件市场区块从CCD转移至CMOS,包括生命科学、消费市场以及监控设备等等。

  BAE Systems、CMOSIS、Sony等公司纷纷砸下重金投资CMOS技术,并大力行销,现在已有许多4 MP以上、超过50 fps,而电子读出杂讯少的感光元件。不过,CCD并非毫无用武之地,CCD技术在要求高敏感度与长时间曝光的应用环境下,无非是最佳选择。

  例如活体分子影像(in vivo imaging)仰赖微弱的荧光讯号,曝光时间达数分钟甚至数小时,便适合使用CCD感光元件。同样的,需要长时间曝光的天文应用,例如观星也以CCD技术为佳。随着CCD售价持续下降、效能却不变的情况下,可望成为中阶市场热门应用。

  若要回应目前市场需求,CCD传感器得改善更**长范围下的敏感度。传统CCD传感器对于1,100nm以上波长缺乏敏感度,使其无法运用于短波红外线(SWIR)镜头上。

  不过,最新InGaAs传感器使用与CMOS传感器类似的读出原理,在彻底冷却的情况下,可增强1,100 nm以上波长的量子效率(quantum efficiency)、减少干涉现象(etaloning),提升读出速度及敏感度。

  另 外,近年业界亦有号称敏感度最佳的电子倍增(Electron Multiplication;EM)结构CCD元件技术,简称EMCCD。像是e2v Technologies、德仪(TI)等厂商都推出速度更快、且能提供亚电子(sub-electron)读出杂讯性能的传感器,而安森美半导体(ON Semiconductor)也研发出新型高解析度EMCCD传感器。

  Princeton Instruments近期推出一款高速EMCCD相机,EMCCD传感器透过影像增强器(image intensifier),更可改善线性化(linearity)并具单一光子(photon)敏感度,成像速度高达10,000fps。不过,尽管这样的EMCCD具单一光子敏感度,在全解析度之下仍比不上CMOS感光元件的画面更新率。

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