從光子到電子,圖像傳感器技術簡介

來源：EETOP編譯自allaboutcircuits

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後，系統必須具有某種方式來量化這種能量，並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體完成的，它是一個PN結，其結構有利於產生響應入射光的電子空穴對。

光電二極體通常由矽製成，但其他半導體材料（如砷化銦、銻化銦、碲化汞鎘等）也被用於各種特殊用途。

Pinned型光電二極體

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型的光電二極體。在上圖中，光電二極體與普通二極體一樣，由一個p型區域和一個n型區域組成。

Pinned型光電二極體有一個額外的區域，由高度摻雜的p型（簡稱p+）半導體製成；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光電二極體的結構

在1980年代引入的Pinned光電二極體解決了與光產生的電荷延遲轉移相關的問題（稱為 "滯後"）。Pinned式光電二極體還提供了較高的量子效率、改進的噪聲性能和較低的暗電流（我們將在本系列的後面再談這些概念）。

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

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傳感器用於光譜學，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製放大器電路的光電二極體陣列。

儘管如此，我們將專注於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。

那麼，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，並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複雜度-並降低了功耗。

我並不是說此評估是不準確的，但其實用性有限。在很大程度上取決於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），並且系統產生的感知圖像質量不僅取決於傳感器，還取決於更多因素。毫無疑問，就某些光電特性而言，CCD的性能要優於CMOS傳感器，。但是將CCD與更高的整體圖像質量聯繫起來似乎有點不太合理。

系統設計的考慮

一個基於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複雜。傳感器產生的圖像「數據」是一個需要精細放大和採樣的模擬波形，當然，任何信號處理或數據轉換電路都有可能引入噪聲。

低噪聲性能始於CCD，但並沒有到此為止-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，這對於大大降低設計複雜性、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解析度傳感器時。大多數應用將受益於數位訊號處理器或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。這可以通過軟體或可編程硬體來執行。