從光子到電子，圖像傳感器技術(shù)簡(jiǎn)介
2020-04-06 12:51:03 EETOP編譯光子和電子
電子成像的基本前提是，光能以保留視覺信息的方式轉(zhuǎn)化為電能，從而使我們能夠重建場(chǎng)景的光學(xué)特性。光子和電子之間的這種可預(yù)測(cè)的相互作用，啟動(dòng)了捕捉數(shù)字圖像的過(guò)程。在入射光子傳遞的能量被轉(zhuǎn)換為電能后，系統(tǒng)必須具有某種方式來(lái)量化這種能量，并將其存儲(chǔ)為數(shù)值序列（或矩陣）。
在大多數(shù)圖像傳感器中，從光到電的轉(zhuǎn)換是由光電二極管完成的，它是一個(gè)PN結(jié)，其結(jié)構(gòu)有利于產(chǎn)生響應(yīng)入射光的電子空穴對(duì)。
光電二極管通常由硅制成，但其他半導(dǎo)體材料（如砷化銦、銻化銦、碲化汞鎘等）也被用于各種特殊用途。
圖像傳感器技術(shù)的一個(gè)重要進(jìn)步是研究人員創(chuàng)造了一種Pinned型的光電二極管。在上圖中，光電二極管與普通二極管一樣，由一個(gè)p型區(qū)域和一個(gè)n型區(qū)域組成。
Pinned型光電二極管有一個(gè)額外的區(qū)域，由高度摻雜的p型（簡(jiǎn)稱p+）半導(dǎo)體制成；如圖所示，它比其他兩個(gè)區(qū)域更薄。
該圖展示了集成到圖像傳感器中的Pinned光電二極管的結(jié)構(gòu)
在1980年代引入的Pinned光電二極管解決了與光產(chǎn)生的電荷延遲轉(zhuǎn)移相關(guān)的問(wèn)題（稱為 "滯后"）。Pinned式光電二極管還提供了較高的量子效率、改進(jìn)的噪聲性能和較低的暗電流（我們將在本系列的后面再談這些概念）。
如今，幾乎所有CCD和CMOS圖像傳感器中的光敏元件都是Pinned光電二極管。
圖像傳感器的類型
兩種主要的成像技術(shù)是CCD（電荷耦合器件）和CMOS。
此外還有一些其他類型的傳感器，比如NMOS傳感器用于光譜學(xué)，微型測(cè)光儀提供紅外熱成像的靈敏度，而特殊應(yīng)用可能會(huì)使用連接到定制放大器電路的光電二極管陣列。
盡管如此，我們將專注于CCD和CMOS。這兩個(gè)常規(guī)傳感器類別涵蓋了非常廣泛的應(yīng)用和功能。
似乎人們都會(huì)被“哪個(gè)更好？”的價(jià)值判斷所吸引。比如表面安裝還是通孔？BJT或FET？佳能還是尼康？Windows或Mac（或Linux）？這些問(wèn)題很少有有意義的答案，即使是比較個(gè)別的特性也會(huì)有困難。
那么，CMOS或CCD哪個(gè)更好？傳統(tǒng)的比較是這樣的：CCD具有更低的噪聲，更好的像素間均勻性，并且以卓越的圖像質(zhì)量而享有盛譽(yù)。CMOS傳感器提供了更高的集成度-降低了電路設(shè)計(jì)人員的工作復(fù)雜度-并降低了功耗。
我并不是說(shuō)此評(píng)估是不準(zhǔn)確的，但其實(shí)用性有限。在很大程度上取決于您對(duì)傳感器的需求以及您的要求和優(yōu)先級(jí)。
此外技術(shù)日新月異，投入到數(shù)字成像研發(fā)中的大量資金可能會(huì)逐漸改變CCD與CMOS的格局。
其次，圖像傳感器不會(huì)產(chǎn)生圖像。它是數(shù)字成像系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分（當(dāng)然是非常重要的組成部分），并且系統(tǒng)產(chǎn)生的感知圖像質(zhì)量不僅取決于傳感器，還取決于更多因素。毫無(wú)疑問(wèn)，就某些光電特性而言，CCD的性能要優(yōu)于CMOS傳感器，。但是將CCD與更高的整體圖像質(zhì)量聯(lián)系起來(lái)似乎有點(diǎn)不太合理。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的考慮
一個(gè)基于CCD傳感器的系統(tǒng)需要大量的設(shè)計(jì)投入。CCD需要各種非邏輯電平的電源和控制電壓(包括負(fù)電壓)，必須應(yīng)用到傳感器上的時(shí)序可能非常復(fù)雜。傳感器產(chǎn)生的圖像“數(shù)據(jù)”是一個(gè)需要精細(xì)放大和采樣的模擬波形，當(dāng)然，任何信號(hào)處理或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路都有可能引入噪聲。
低噪聲性能始于CCD，但并沒有到此為止-我們必須努力將整個(gè)信號(hào)鏈中的噪聲降至最低。
CCD輸出波形
CMOS圖像傳感器的情況截然不同。它們的工作方式更像是標(biāo)準(zhǔn)的集成電路，具有邏輯電平的電壓源，片上圖像處理和數(shù)字輸出數(shù)據(jù)。您可能還需要處理一些額外的圖像噪聲，但是在許多應(yīng)用中，這對(duì)于大大降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性、開發(fā)成本和壓力來(lái)說(shuō)是一個(gè)很小的代價(jià)。
圖像處理不是一個(gè)典型的微控制器的任務(wù)，尤其是當(dāng)你使用高幀率或高分辨率傳感器時(shí)。大多數(shù)應(yīng)用將受益于數(shù)字信號(hào)處理器或FPGA的計(jì)算能力。
還需要考慮壓縮，尤其是當(dāng)您需要將圖像存儲(chǔ)在內(nèi)存中或以無(wú)線方式傳輸圖像時(shí)。這可以通過(guò)軟件或可編程硬件來(lái)執(zhí)行。
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