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      2. 從光子到電子,圖像傳感器技術簡介

        2020-04-06 12:51:03 來源: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化為電能,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,啟動了捕捉數字圖像的過程。在入射光子傳遞的能量被轉換為電能后,系統必須具有某種方式來量化這種能量,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,它是一個PN結,其結構有利于產生響應入射光的電子空穴對。

        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、碲化汞鎘等)也被用于各種特殊用途。

        Pinned型光電二極管

        圖像傳感器技術的一個重要進步是研究人員創造了一種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p型區域和一個n型區域組成。

        Pinned型光電二極管有一個額外的區域,由高度摻雜的p型(簡稱p+)半導體制成;如圖所示,它比其他兩個區域更薄。

        該圖展示了集成到圖像傳感器中的Pinned光電二極管的結構

         在1980年代引入的Pinned光電二極管解決了與光產生的電荷延遲轉移相關的問題(稱為 "滯后")。Pinned光電二極管還提供了高的量子效率、改進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,微型測光儀提供紅外熱成像的靈敏度,而特殊應用可能會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。這兩個常規傳感器類別涵蓋了非常廣泛的應用和功能。 

        CCD與CMOS

        似乎人們都會被“哪個更好?”的價值判斷所吸引。比如表面安裝還是通孔?BJT或FET?佳能還是尼康?Windows或Mac(或Linux)?這些問題很少有有意義的答案,即使是比較個別的特性也會有困難。

        那么,CMOS或CCD哪個更好?傳統的比較是這樣的: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量而享有盛譽。CMOS傳感器提供了更高的集成度-降低了電路設計人員的工作復雜度-并降低了功耗。

        我并不是說此評估是不準確的,但其實用性有限。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級。

        此外技術日新月異,投入到數字成像研發中的大量資金可能會逐漸改變CCD與CMOS的格局。

        其次,圖像傳感器不會產生圖像。它是數字成像系統中的一個組成部分(當然是非常重要的組成部分),并且系統產生的感知圖像質量不僅取決于傳感器,還取決于更多因素。毫無疑問,就某些光電特性而言,CCD的性能要優于CMOS傳感器,。但是將CCD與更高的整體圖像質量聯系起來似乎有點不太合理。

        系統設計的考慮

        一個基于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),必須應用到傳感器上的時序可能非常復雜。傳感器產生的圖像“數據”是一個需要精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信號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準的集成電路,具有邏輯電平的電壓源,片上圖像處理和數字輸出數據。您可能還需要處理一些額外的圖像噪聲,但是在許多應用中,這對于大大降低設計復雜性、開發成本和壓力來說是一個很小的代價。

        圖像處理不是一個典型的微控制器的任務,尤其是當你使用高幀率或高分辨率傳感器時。大多數應用將受益于數字信號處理器FPGA的計算能力。

        還需要考慮壓縮,尤其是當您需要將圖像存儲在內存中或以無線方式傳輸圖像時。這可以通過軟件可編程硬件來執行。

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