盘一盘图像传感器的那些常见问题

倒倒根儿，滨松的图像传感器的开发是从1980年左右开始的。在参与日本原子能研究所JT-60托卡马克装置*1项目期间，被委以了相关图像传感器产品的研发。虽然当时是为了特定的科研应用场景，但此次工作积累下来的半导体图像传感器经验，却为滨松奠定了以后MOS型图像传感器和CCD图像传感器的技术基础，1985年，滨松线阵图像传感器也正式推向了市场。

▲用于JT-60的滨松探测器模块，包含带碘化铯光电面的MCP、FOP、图像传感器等元件

经过多年的发展，滨松已经拥有了针对红外、可见光、紫外、真空紫外、软X射线、硬X射线等各种波段的多类图像传感器产品，还可以根据不同应用需求，提供高度定制化的产品，如不同的窗材、不同滤光片组合、耦合光纤的探测器等等。上三张图，对滨松图像传感器的概况就可以有一个大致的了解了：

▲滨松图像传感器种类

▲可探测光谱范围示例

▲可探测光量范围示例

可以看到的是，图像传感器的应用范围非常广泛，滨松中国的产品技术工程师们在日常的技术支持中，也常常收到各种各样关于图像传感器的参数、选型、使用的提问，对于其中许多具有共性的，则加以了整理。今天，咱们就来盘一盘这些来自于真实应用场景中的常见问题，希望可以帮助大家更好地认识、使用滨松的图像传感器产品。

注：本次仅涉及CMOS、CCD、NMOS、InGaAs图像传感器的部分常见问题，关于X射线应用的，将放在以后相关内容中分享

CMOS图像传感器

Q1：MOS图像传感器和CCD图像传感器在使用上的主要区别是什么？

MOS图像传感与CCD图像传感器相比，可以处理更高的电荷，可在强光条件下使用。CCD的特性是低噪声，因此更适合探测弱光。MOS可以在5V电压下工作，更容易操作。

Q2：CMOS线性图像输出传感器的暗输出电压和输出偏置电压有什么不一样？

暗输出电压主要是由象元产生的暗电流成分并且与积分时间成正比。输出偏置电压是一种参照电压，它是从读出电路（放大器）输出的，并且它的值是恒定的，不与积分时间成正比。

Q3：有没有必要使用一个CDS输出电路来信号处理CMOS线性图像传感器的视频输出波形？

不需要使用一个CDS电路来信号处理视频输出波形。直接进行A/D转换。在这种情况下，Z 好连接一个阻抗转换缓冲放大器到视频输出端，尽可能避免电流流动。作为缓冲放大器，使用一个高输入阻抗的JFET输入或CMOS输入放大器。

Q4：什么样的树脂被用到树脂密封的CMOS图像传感器？

参照以下的表格。未在上述表格列出的产品信息，可以通过核对送货说明单或者联系滨松中国工程师了解。

Q5：使用在树脂密封的CMOS图像传感器上的树脂的折射率是多少？

CCD图像传感器

Q6：CCD对X射线敏感吗？

当X射线直接照射CCD时，前照式CCD对0.5 keV~10 keV的X射线灵敏，而背照式对0.1 keV~10 keV的X射线灵敏。与FOS（带闪烁体的光纤板FOP）或者荧光片耦合的前照式CCD对几十keV或者更高能量的X射线灵敏。

Q7：在不同的产品中，产品列表中列出的CCD产品多大程度上是不同的？

产品数据手册中列出的光灵敏度为产品的典型值，不是保证值。例如，前照式CCD不同产品间的光谱响应特性差别有些大，因为这种CCD有一个结构，在接收入射光的表面上形成CCD栅极。在近红外区域，背照式CCD与前照式CCD相比，不同产品的差异较小，但对于紫外波段，他们有巨大的差异。如果您需要某个特定产品的光谱响应特性，请咨询我们销售处。请注意光谱的响应特性取决于温度，关于光谱响应特性与温度的依赖关系请查看具体产品的技术指南手册。

Q8：是否可以在CCD产品数据手册列出的工作电压范围内采用任意的电压？

CCD的特性因工作环境而改变，数据手册中列出的工作条件显示了调节范围。它们必须在指定的范围内调整。我们建议在典型工作条件下使用CCD。数据手册中列出的电气和光学特性是典型的工作条件下的参数。

Q9：CCD数据手册没有给出电压输出(V)的灵敏度，那么怎么计算该指标？

特性波长的电压输出可以根据量子效（QE）率和CCD结灵敏度（Sv）计算出来。计算公式如下：V=入射光子数×QE×Sv。

Q10：CCD封装的公差很大的原因是什么？

封装主要采用陶瓷材料，因此制造小公差的封装比较困难。考虑到质量控制，封装公差设置较大。也可采取特殊处理技术减少公差，如有需要请联系我们。

Q11：即使积分电荷为0，CCD也产生输出，为什么？

CCD即便在读出操作中也会产生暗电流。所以即使积分时间为0，也会有暗电流在内的输出。

Q12：入射光会损坏CCD吗？

可见光不会损坏CCD，但是紫外、X射线和其他高能辐射可以引起损坏。详情请查看相关技术信息。

Q13：在使用两相BT-CCD时，如果采用单电源供电设计，该如何改变偏置电压从而可以正常使用？

一般操作双相滨松BT-CCD需要多个偏置和时钟电压。传统的使BT-CCD偏置的方法是使BT-CCD基板接地（0 V），但这需要从-8 V到24 V的电源。在这种情况下，BT-CCD时钟电压将在- 8 V和6 V之间波动。但是，单电源供电很难实现这种要求，因此为了正常使用，可以使BT-CCD基板（偏压为8 V）上浮，消除对双极或负极电源的需求。当BT-CCD衬底为8 V时，时钟电压从0 V到14 V的摆动，达到与- 8 V到6 V的配置具有相同的效果。

Q14：关于FFT-CCD的驱动电路，有没有参考设计？

可以参考如下电路：

Q15：CCD上的时序是什么样的？

我们建议S次接通DC电源，然后对时钟系统供电。不过加电顺序相反或者同时加电也不会损坏CCD。

Q16：CCD双相位时钟脉冲（P1,P2）的重叠会对CCD工作有何影响？

建议时钟脉冲在振幅的50%±10%处重叠，偏离该条件可能影响CCD的饱和电荷量以及电荷转移效率。所以，要求高探测精确度，需要考虑这一点。

Q17：在使用CCD时，如何能够降低噪声？

CCD噪声来源主要由熟知的kT/C噪声和1/f噪声。这些噪声会引起CCD系统的信噪比下降，因此应在信号处理电路中尽量消除。可以采用CDS电路消除。以下是两种典型CDS电路：

Q18：CCD配合电脑使用需要什么组件？

准备以下组件：

1、 多通道探头或者驱动电路（滨松可能无法提供某些CCD组件，请查看图像传感器手册）；

2、 多通道探头控制器C7557-01（当使用一个多通道探头时）：通过USB连接到电脑，可方便地采集数据 ；

3、 外部供电、模数转换器（是否需要取决于多通道探头和驱动电路，请查看器件手册） ；

4、图像采集卡（当使用camera link接口的多通道探头时）。

Q19：CCD采集图像时需要快门吗？

当使用全帧转移CCD（FFT-CCD）采集二维图像时，其工作原理决定了需要快门或类似机械装置在电荷转移期间阻挡光的入射（目的是避免电荷转移期间入射到CCD的光被当作信号读出，因为FFT-CCD的感光面同时充当了电荷转移寄存器）。电荷转移期间入射到CCD上的光在采集到的图像看上去像是垂直条纹（该现象称为拖影，smear）。如果积分时间相对读出时间足够长，那么几乎没有阴影效果，所以可以不用快门来采集图像。当使用像素组合模式操作FFT-CCD，电荷转移期间入射到CCD的光通过像素组合作用增加到信号上，作为一维数据读出，因此不使用快门也没关系。

Q20：CCD可以耦合到FOP上吗？

几乎所有的前照式CCD都可以耦合到FOP上。但是，背照式CCD不能耦合到FOP上。

Q21：在使用CCD时，二相转移电极和三相优缺点是什么？

通常来讲，二相同三相比，简化了供电线路。但三相比二相电荷存储能力高些，处理能力高些。

Q22：真空中使用CCD会有问题吗？

在几帕的真空下使用不带窗的前照式CCD是没有任何问题的。不过，如果有真空度超过10-2帕斯卡，系统有时会被树脂污染，请联系我们销售。背照式CCD也已经在真空中使用，所以如需真空操作请咨询我们。

Q23：CCD安装操作中保持什么样的温度和湿度级别？

温度范围请查看产品数据手册中列出的工作温度和保存温度。温度和湿度必须满足不会有湿气凝结到传感器上。建议湿度在45%~55%，该湿度范围也是对抗ESD（静电释放损坏）所需要的。

Q24：安装CCD时，有什么静电防护措施建议？

静电可损坏CCD，在操作中要小心。推荐使用ESD工作台、佩戴静电手环、使用离子风机。等等。具体还可以查看我们的CCD传感器使用注意的文件（见文末）。

InGaAs图像传感器

Q25：InGaAs线性图像传感器是否包含连续的像素缺陷？

不包含连续的像素缺陷。即使他们有像素缺陷，每个像素之间都有三个或更多好的像素。

Q26：当把一个InGaAs线性图像传感器的视频输出连接到后期电路时，有什么注意点？

增加负载电阻或者增加一个缓冲放大器，因为直接输出的电流的大小是有限的。

Q27：当使用一个电源给InGaAs线性图像传感器供电时，需要注意什么？

使用Z小纹波的电源，因为电源信号的纹波可能叠加到视频信号上。我们建议使用纹波小于1 mV的电源。

NMOS图像传感器外围电路

Q28：开关稳压器可以用作电源吗？

要获得Z 佳性能，请使用低噪声稳压电源。

Q29：可以通过延长线缆将传感器连接到驱动电路上吗？

不推荐这么做，因为这样传感器会被外界噪声干扰，或者发生故障。为了获得器件的Z 佳性能，请将传感器插到电路板的插座上。

Q30：有些驱动电路没有接头，可以焊接单独的裸线吗？一根线作为地线是否足够？

为了获得器件Z 佳性能，请使用同轴线缆。不恰当的地线可能会使输入信号（起始信号、时钟信号）失真，引发故障。