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從圖像傳感器到微型光譜儀的進階之路，濱松有話說

2023-04-18

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如果把一臺微型光譜儀解構來看：微型光譜儀 = 光學設計 + 圖像傳感器 + 電路設計，可以說圖像傳感器的性能對于微型光譜儀的性能和產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置在光譜儀中的圖像傳感器應該有著什么的“神通”，而這樣的“神通”又為我們帶來了何種不同性能的光譜儀。

“短波近紅外”—圖像傳感器
首先來看紫外~可見~近紅外波段，也就是Si材料可以響應的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：
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我們以該表為基礎分別來解析一下每一種傳感器的優劣之處。

背照式CCD圖像傳感器


背照式CCD 是基礎性能最好的傳感器類型，量子效率最高，800 nm的QE達到了86%。同時，每一列的有效感光面積也最大（14 um x 896 um）。單列面積越大探測器的，制作成光譜儀后，其靈敏度也就越高。不過，成本也會上升。
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，來應對需要低暗噪聲，長曝光時間的場景，可以檢測一些微弱信號，比如弱拉曼光、弱熒光。
舉例來說，如果您需要檢測785激光散射出來的微弱拉曼光，那么800~1000 nm段量子效率很高的S16010-1106的制冷版本 S16011-1106，就是一個推薦的選擇。

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CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器是性價比較高的傳感器類型。這類光譜探測器一般總感光面積不是最大的，但在多數情況下是夠用的。
濱松最經典的CMOS傳感器產品是S11639-01，它優異的高性價比使得它成為了市面上200~1000 nm段常規微型光譜儀的最常見選擇之一。

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前文對比中出現的S16514-2048-11正是基于S11639-01新推出的紅外響應增強型，更適合手持式785拉曼光譜儀或者是高性價比的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結為基礎感光單元，但它集成了更多電路功能到探測器芯片上，可以實現電子快門等一些額外的功能。

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前照式CCD圖像傳感器

前照式CCD雖然沒有背照式CCD那么高的量子效率，但它們往往可以通過成熟的工藝設計實現更多的特殊功能。比如前文提前S15729-01，它在具備良好的近紅外響應的同時，可以實現超高的幀速率，可以在OCT等特殊應用場景下使用。

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總結在短波近紅外波段：

背照式CCD圖像傳感器基礎性能最好；

CMOS圖像傳感器性價比最好；

前照式CCD圖像傳感器可以實現更多功能設計；



“近紅外波段”—圖像傳感器

近紅外波段也就是InGaAs材料可以響應的900~2500 nm這一段。InGaAs圖像傳感器本質上是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，這種區分也體現在如何鍵合一個InGaAs光電二極管陣列和一個CMOS電路芯片。
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前照式InGaAs圖像傳感器

在前照式設計中，CMOS讀出電路芯片放置在InGaAs光電二極管陣列旁邊，通過金線鍵合。正面入射無阻擋，整體靈敏度更高。不過實話實說，這樣會導致芯片尺寸較大，需要的鍵合空間也會更大。最直接的問題是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像素和偶素像素的信號，否則芯片內的鍵合空間就不夠用了。這樣的2條總線的設計，就會導致探測器芯片整體的奇數像素和偶數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來直接耦合在CMOS讀出電路芯片上，可以規避奇偶總線的問題，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（結構與材料上的差異導致目前不能對InGaAs做如同背照式CCD那樣的背面減薄處理），信號光需要走過更長的路才能到達真正感光的PN結，探測器的整體靈敏度就會有所損失。
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濱松各型各款光譜儀

分析完了圖像傳感器，接下來我們就來聊聊光譜儀。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（點擊此處，回顧產品詳情），濱松的常規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自產的各類圖像傳感器的理解，也運用了作為探測器供應商的一些小優勢。

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計為賣點。工作在340~830 nm的C13555MA微型光譜儀，整體尺寸只有80x60x12 mm，這是通過把未完整封裝的S11639-01，直接從CMOS探測器產線轉移到微型光譜儀產線，安裝到光譜儀內，這樣才能最大限度地優化尺寸設計。

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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行透射分光設計，點擊獲取產品資料。對比C-T光路設計或者是凹面光柵分光光路設計，有著最高的靈敏度，最大限度地發揮高靈敏度的背照式 微信分享
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