高光谱成像仪器探测技术之图像传感器的类型

探测器是高光谱成像仪的核心部件，它主要用来实现光电信号的转换。目前高光谱成像仪中常用的探测器的类型主要有CCD、CMOS、EMCCD、sCMOS等，不同类型的传感器其特性是不同的。本文对高光谱成像仪器探测技术之图像传感器的类型做了介绍。

在高光谱显微成像系统中，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。

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。