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高光谱相机的探测器CCD和COMS有什么区别?

发布时间:2023-05-05
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​对于高光谱相机而言,相机的探测器是一个重要的技术指标,有的使用CCD探测器,有的使用COMS探测器。那么,CCD探测器和COMS探测器有什么区别?本文对高光谱相机的探测器CCD和COMS以及它们之间的区别作了介绍,对此感兴趣的朋友可以了解一下!

对于高光谱相机而言,相机的探测器是一个重要的技术指标,有的使用CCD探测器,有的使用COMS探测器。那么,CCD探测器和COMS探测器有什么区别?本文对高光谱相机的探测器CCD和COMS以及它们之间的区别作了介绍,对此感兴趣的朋友可以了解一下!

高光谱相机

高光谱相机CCD探测器:

数码相机是使用电荷耦合器件CCD(或CMOS)作为成像部件,也是彩色相机的核心部件。CCD/CMOS是相机用来感光成像的部件,相当于光学传统相机中的胶卷。

CCD芯片(Charge Coupled Device),即电荷耦合器,是一种特殊的半导体材料。它是由大量的独立光敏元件组成,这些光敏元件通常是按矩阵排列的,以百万像素为单位。CCD上感光组件的表面具有储存电荷的能力,当其表面感受到光线时,会产生相应量的电荷。整个CCD上的所有感光组件所产生的信号,就构成了一幅完整的画面。

CCD的结构为三层,第一层“微型镜头”;第二层“分色滤色片”;第三层“感光层”。

“微型镜头”。数码相机成像的关键在于其感光层,为了扩展CCD的采光率,必须扩展单一像素的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开口面积而决定,而改由微型镜片的表面积来决定。

“分色滤色片”。CCD的第二层是“分色滤色片”。目前有两种分色方,一是RGB原色分色法,也就是Bayer分色法;另一个是CMYK补色分色法。RGB即三原色分色法,几乎所有人眼可以识别的颜色,都可以通过红、绿和蓝来组成。CMYK是由四个通道的颜色配合而成,他们分别是青(C)、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。目前,一般使用的彩色数码相机主要都是使用RGB彩色滤光片,即拜尔滤镜(Bayer filter)。每四个像素形成一个单元,一个负责过滤红色、一个过滤蓝色,两个过滤绿色(因为人眼对绿色比较敏感),结果每个像素都接收到感光讯号。

“感光层”。CCD的第三层是“感光层”,这层主要是负责将穿过滤色层的光信号转换成电信号,并将信号传送到影像处理芯片还原,它是CCD的核心器件。


高光谱相机CMOS探测器:

CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)即互补性金属氧化物半导体,其在微处理器、闪存和特定用途集成电路(ASIC)的半导体技术上占有绝对重要的地位。CMOS和CCD一样也可用来感受光线变化,它通过其上带负电和带正电的晶体管来实现基本的成像功能,这两个互补效应所产生的电流可被处理芯片记录和解读成影像。由于大多数CMOS每个像素点都由一个感光电极、一个电信号转换单元、一个信号传输晶体管、以及一个信号放大器所组成,相比CCD,会给图像带来更大的噪声。


高光谱相机的CCD和COMS的区别:

作为两种最为常用的图像传感器,CCD和CMOS之间有着诸多的差异,主要表现在以下几个方面:

1、结构的不同

CCD传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中,由最底端部分输出,再经由传感器边缘的放大器进行放大输出;而在CMOS传感器中,每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路,用类似内存电路的方式将数据输出。它们的结构示意图如x下图所示。

CCD探测器和CMOS探测器内部结构示意图

2、灵敏度的比较

灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力。CCD图像传感器灵敏度较CMOS传感器高30%-50%。这主要因为CCD像元耗尽区深度可达10mm,具有可见光及近红外光谱段的完全收集能力,而CMOS的象元对红光及近红外光的吸收比较困难。

3、响应速度

由于CCD采用了串行连续扫描的工作方式,可以一次性的读出整行或者整列的数据。而CMOS采用的是单点信号传输的方式,通过简单的二维坐标平面寻址技术,可以对任意的象元读出数据,故基于CMOS技术的图像传感器的信号传输速度较快。

4、噪声比较

CCD有专属的数据通道,可以保证信号传输的不失真,保证了图像的完整性。而CMOS的每个象元都直接连接到AD转换器上,没有专门的通道可以使用,造成了噪点的增加,影响了到图像的品质。

5、成本比较

CCD 传感器的中一个象元的损坏就会导致整排或整列数据不能传送,而 CMOS 图像传感器采用的是半导体电路常用的CMOS工艺,所以其周边电路可以很容易的集成到芯片中,节省了成本。故 CCD 传感器的成本要高于CMOS。

总的来说,虽然CCD和CMOS图像传感器在各方面的比较中各有优势,但是由于CCD传感器在灵敏度和控制噪声方面的优越表现,使它逐渐成为了图像传感器的主流。

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