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          圖像傳感器技術:光子和電子的圖像形成原理

          發表時間:2021-07-05 18:12【 閱讀量:-

            在這一點上,電子電路已取代膠片成為記錄光的主要手段,這是不言而喻的。數以億計,甚至數十億的人生活在智能手機和相機的伸手可及的范圍內,其中許多人可能對使用基于膠片的相機而不是電子設備拍照的可能性只有模糊的想法.


            此外,數字成像的重要性遠遠超出了智能手機文化甚至專業攝影或攝像。我在數碼相機設計方面的所有經驗都發生在國防工業,而其他各個行業——制造、安全、醫療保健和環境科學——都依賴于各種類型的圖像傳感器。


            光子和電子


            電子成像的基本前提是光可以以保留視覺信息的方式轉換為電能,從而使我們能夠重建場景的光學特性。光子和電子之間的這種可預測的相互作用啟動了捕獲數字圖像的過程。在入射光子傳遞的能量轉換為電能之后,系統必須有某種方法來量化這種能量并將其存儲為數值序列(或矩陣)。


            在大多數圖像傳感器中,從光到電的轉換是由光電二極管完成的,光電二極管是一種pn結,其結構有利于響應入射光產生電子-空穴對。

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            光電二極管通常由硅制成,但其他半導體材料(如砷化銦、銻化銦和碲化鎘汞)用于各種特殊應用。


            固定光電二極管


            當研究人員創造出一種稱為釘扎光電二極管的東西時,圖像傳感器技術取得了重大進步。在上圖中,光電二極管就像一個普通的二極管,它由一個p型區域和一個n型區域組成。


            釘扎光電二極管有一個由高摻雜p型(縮寫為p+)半導體制成的附加區域;如圖所示,它比其他兩個區域更薄。

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            該圖傳達了集成到圖像傳感器中的釘扎光電二極管的結構。


            1980年代引入釘扎光電二極管解決了與光生電荷延遲轉移相關的問題(稱為“滯后”)。釘扎光電二極管還提供高量子效率、改進的噪聲性能和低暗電流(我們將在本系列的后面部分回到這些概念)。


            如今,幾乎所有CCD和CMOS圖像傳感器中的光敏元件都是釘扎光電二極管。


            圖像傳感器的類型


            兩種主要的成像技術是CCD(代表電荷耦合器件)和CMOS(您可能已經知道CMOS代表什么)。確實存在其他類型:NMOS傳感器用于光譜學,微測輻射熱計為熱成像提供紅外靈敏度,專門應用可能使用連接到定制放大器電路的光電二極管陣列。


            不過,我們將專注于CCD和CMOS。這兩個通用傳感器類別涵蓋了非常廣泛的應用和功能。


            CCD與CMOS


            似乎人性被“哪個更好?”的價值判斷所吸引。種類。表面貼裝還是通孔?BJT還是FET?佳能還是尼康?Windows還是Mac(或Linux)?此類問題很少有有意義的答案,甚至比較個人特征也很困難。


            那么,CMOS和CCD哪個更好?(嘆氣。)傳統的比較是這樣的:CCD具有更低的噪聲、更好的像素到像素的均勻性以及卓越的圖像質量的普遍聲譽。CMOS傳感器提供更高的集成度——這降低了電路設計者任務的復雜性——并降低了功耗。


            我并不是說這個評估不準確,但它的實用性是有限的。在很大程度上取決于您對傳感器的需求以及您的要求和優先事項。


            此外,我什至不愿提出這些比較,原因有兩個:首先,技術變化很快,投入到數字成像研發中的巨額資金可能會逐漸重新調整CCD與CMOS的格局。


            其次,圖像傳感器不產生圖像;它是數字成像系統中的一個組件(當然是一個非常重要的組件),系統產生的感知圖像質量不僅僅取決于傳感器。我不懷疑CCD在某些光電特性方面優于CMOS傳感器,但將CCD與卓越的整體圖像質量聯系起來似乎有些簡化。


            系統注意事項


            基于CCD傳感器的系統需要大量的設計投入。CCD需要各種非邏輯電平的電源和控制電壓(包括負電壓),并且必須應用于傳感器的時序可能非常復雜。傳感器產生的圖像“數據”是需要仔細放大和采樣的模擬波形,當然,任何信號處理或數據轉換電路都是引入噪聲的機會。


            低噪聲性能始于CCD,但還不止于此——我們必須努力將整個信號鏈中的噪聲降至最低。

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            這是CCD輸出波形的示例。我們將在以后的文章中更多地討論這個圖。


            CMOS圖像傳感器是一個非常不同的故事。它們的工作方式更像標準集成電路,具有邏輯電平電壓供應、片上圖像處理和數字輸出數據。您可能需要處理一些額外的圖像噪聲,但在許多應用程序中,這是為了大幅降低設計復雜性、開發成本和壓力而付出的很小的代價。


            圖像處理不是典型微控制器的任務,當您使用高幀率或高分辨率傳感器時,它的要求尤其高。大多數應用都將受益于數字信號處理器或FPGA的計算能力。


            您還需要考慮壓縮,尤其是當您需要將圖像存儲在內存中或無線傳輸它們時。這可以在軟件或可編程硬件中執行,但在我看來,ADV212——ADI公司的JPEG壓縮/解壓ASIC——是一個很好的選擇。

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