如果把一臺(tái)微型光譜儀解構(gòu)來(lái)看：微型光譜儀 = 光學(xué)設(shè)計(jì) + 圖像傳感器 + 電路設(shè)計(jì)，可以說(shuō)圖像傳感器的性能對(duì)于微型光譜儀的性能和產(chǎn)品定位具有決定性的影響。

今天咱們就先從CCD、CMOS、InGaAs圖像傳感器入手，與大家一同分析一下內(nèi)置在光譜儀中的圖像傳感器應(yīng)該有著什么的“神通”，而這樣的“神通”又為我們帶來(lái)了何種不同性能的光譜儀。

“短波近紅外”—圖像傳感器

首先來(lái)看紫外~可見(jiàn)~近紅外波段，也就是Si材料可以響應(yīng)的180~1050 nm這一段。在這一段，濱松的圖像傳感器大致上可以分為三類：CMOS、背照式CCD、前照式CCD。

以短波近紅外為例，以下是特別適合短波近紅外段的三款圖像傳感器：

我們以該表為基礎(chǔ)分別來(lái)解析一下每一種傳感器的優(yōu)劣之處。

背照式CCD圖像傳感器

背照式CCD 是基礎(chǔ)性能最 好的傳感器類型，量子效率最 高，800 nm的QE達(dá)到了86%。同時(shí)，每一列的有效感光面積也最 大（14 um x 896 um）。單列面積越大探測(cè)器的，制作成光譜儀后，其靈敏度也就越高。不過(guò)，成本也會(huì)上升。

背照式CCD主要用在中高端的微型光譜儀中，一般都有制冷的型號(hào)，來(lái)應(yīng)對(duì)需要低暗噪聲，長(zhǎng)曝光時(shí)間的場(chǎng)景，可以檢測(cè)一些微弱信號(hào)，比如弱拉曼光、弱熒光。舉例來(lái)說(shuō)，如果您需要檢測(cè)785激光散射出來(lái)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，就是一個(gè)推薦的選擇。

圖1 S16011-1106

CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器是性價(jià)比較高的傳感器類型。這類光譜探測(cè)器一般總感光面積不是最 大的，但在多數(shù)情況下是夠用的。濱松最 經(jīng)典的CMOS傳感器產(chǎn)品是S11639-01，它優(yōu)異的高性價(jià)比使得它成為了市面上200~1000 nm段常規(guī)微型光譜儀的最 常見(jiàn)選擇之一。

圖2 S11639-01

前文對(duì)比中出現(xiàn)的S16514-2048-11正是基于S11639-01新推出的紅外響應(yīng)增強(qiáng)型，更適合手持式785拉曼光譜儀或者是高性價(jià)比的SW-NIR微型光譜儀。不同于最 大化量子效率的背照式FFT-CCD，CMOS雖然同樣以PN結(jié)為基礎(chǔ)感光單元，但它集成了更多電路功能到探測(cè)器芯片上，可以實(shí)現(xiàn)電子快門等一些額外的功能。

圖3 S16514-2048-11

前照式CCD圖像傳感器

前照式CCD雖然沒(méi)有背照式CCD那么高的量子效率，但它們往往可以通過(guò)成熟的工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更多的特殊功能。比如前文提前S15729-01，它在具備良好的近紅外響應(yīng)的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)超高的幀速率，可以在OCT等特殊應(yīng)用場(chǎng)景下使用。

圖4 S15729-01

總結(jié)在短波近紅外波段：

背照式CCD圖像傳感器基礎(chǔ)性能最 好；

CMOS圖像傳感器性價(jià)比最 好；

前照式CCD圖像傳感器可以實(shí)現(xiàn)更多功能設(shè)計(jì)；

“近紅外波段”—圖像傳感器

近紅外波段也就是InGaAs材料可以響應(yīng)的900~2500 nm這一段。InGaAs圖像傳感器本質(zhì)上是InGaAs的光電二極管陣列+Si CMOS讀出電路，它也分為前照式和背照式兩種，這種區(qū)分也體現(xiàn)在如何鍵合一個(gè)InGaAs光電二極管陣列和一個(gè)CMOS電路芯片。

圖5 左：前照式 右：背照式

前照式InGaAs圖像傳感器

在前照式設(shè)計(jì)中，CMOS讀出電路芯片放置在InGaAs光電二極管陣列旁邊，通過(guò)金線鍵合。正面入射無(wú)阻擋，整體靈敏度更高。不過(guò)實(shí)話實(shí)說(shuō)，這樣會(huì)導(dǎo)致芯片尺寸較大，需要的鍵合空間也會(huì)更大。最直接的問(wèn)題是512像素的前照式InGaAs圖像傳感器需要2條總線分別讀取奇數(shù)像素和偶素像素的信號(hào)，否則芯片內(nèi)的鍵合空間就不夠用了。這樣的2條總線的設(shè)計(jì)，就會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器芯片整體的奇數(shù)像素和偶數(shù)像素的輸出值有不同的基線水平。

背照式InGaAs圖像傳感器

背照式InGaAs圖像傳感器是把InGaAs 光電二極管陣列翻過(guò)來(lái)直接耦合在CMOS讀出電路芯片上，可以規(guī)避奇偶總線的問(wèn)題，整體上也可以獲得更小的封裝尺寸，但入射光從InGaAs圖像傳感器背面入射（結(jié)構(gòu)與材料上的差異導(dǎo)致目前不能對(duì)InGaAs做如同背照式CCD那樣的背面減薄處理），信號(hào)光需要走過(guò)更長(zhǎng)的路才能到達(dá)真正感光的PN結(jié)，探測(cè)器的整體靈敏度就會(huì)有所損失。

濱松各型各款光譜儀

分析完了圖像傳感器，接下來(lái)我們就來(lái)聊聊光譜儀。濱松不僅可以為各位提供上述的圖像傳感器，我們還可以提供各型各款的光譜儀，除了像大家所熟知的超小型微型光譜儀系列（，濱松的常規(guī)微型光譜儀也是十分有得聊。

濱松的微型光譜儀也融合了我們對(duì)自產(chǎn)的各類圖像傳感器的理解，也運(yùn)用了作為探測(cè)器供應(yīng)商的一些小優(yōu)勢(shì)。

TF系列微型光譜儀-尺寸緊湊

濱松的TF系列微型光譜儀以緊湊的尺寸設(shè)計(jì)為賣點(diǎn)。工作在340~830 nm的C13555MA微型光譜儀，整體尺寸只有80x60x12 mm，這是通過(guò)把未完整封裝的S11639-01，直接從CMOS探測(cè)器產(chǎn)線轉(zhuǎn)移到微型光譜儀產(chǎn)線，安裝到光譜儀內(nèi)，這樣才能最 大限度地優(yōu)化尺寸設(shè)計(jì)。

圖6 C13555MA微型光譜儀

TG系列微型光譜儀-靈敏度最 高

濱松TG系列微型光譜儀，采用高性能全息透射光柵為核心分光元件進(jìn)行透射分光設(shè)計(jì)，

圖7 透射光路展示

圖8 左：C9405CC 內(nèi)置背照式CCD S16010   右：C11482GA 內(nèi)置前照式InGaAs G9204

不使用圖像傳感器的光譜儀

濱松也有不使用圖像傳感器的光譜儀產(chǎn)品，使用傅里葉變換的FTIR引擎，大家可以點(diǎn)擊圖片下方視頻鏈接完整了解產(chǎn)品介紹。

圖9 使用FP腔分光的MEMS-FPI光譜探測(cè)模塊是另外一種不含圖像傳感器的光譜儀產(chǎn)品。

圖10 MEMS-FPI產(chǎn)品展示

關(guān)于圖像傳感器以及光譜儀相關(guān)的產(chǎn)品信息介紹到此結(jié)束，如有疑問(wèn)，可以在評(píng)論區(qū)留言，工程師會(huì)第 一時(shí)間為您解答。