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图像传感器技术:光子和电子的图像形成原理

发表时间:2021-07-05 18:12【

  在这一点上,电子电路已取代胶片成为记录光的主要手段,这是不言而喻的。数以亿计,甚至数十亿的人生活在智能手机和相机的伸手可及的范围内,其中许多人可能对使用基于胶片的相机而不是电子设备拍照的可能性只有模糊的想法.


  此外,数字成像的重要性远远超出了智能手机文化甚至专业摄影或摄像。我在数码相机设计方面的所有经验都发生在国防工业,而其他各个行业——制造、安全、医疗保健和环境科学——都依赖于各种类型的图像传感器。


  光子和电子


  电子成像的基本前提是光可以以保留视觉信息的方式转换为电能,从而使我们能够重建场景的光学特性。光子和电子之间的这种可预测的相互作用启动了捕获数字图像的过程。在入射光子传递的能量转换为电能之后,系统必须有某种方法来量化这种能量并将其存储为数值序列(或矩阵)。


  在大多数图像传感器中,从光到电的转换是由光电二极管完成的,光电二极管是一种pn结,其结构有利于响应入射光产生电子-空穴对。

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  光电二极管通常由硅制成,但其他半导体材料(如砷化铟、锑化铟和碲化镉汞)用于各种特殊应用。


  固定光电二极管


  当研究人员创造出一种称为钉扎光电二极管的东西时,图像传感器技术取得了重大进步。在上图中,光电二极管就像一个普通的二极管,它由一个p型区域和一个n型区域组成。


  钉扎光电二极管有一个由高掺杂p型(缩写为p+)半导体制成的附加区域;如图所示,它比其他两个区域更薄。

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  该图传达了集成到图像传感器中的钉扎光电二极管的结构。


  1980年代引入钉扎光电二极管解决了与光生电荷延迟转移相关的问题(称为“滞后”)。钉扎光电二极管还提供高量子效率、改进的噪声性能和低暗电流(我们将在本系列的后面部分回到这些概念)。


  如今,几乎所有CCD和CMOS图像传感器中的光敏元件都是钉扎光电二极管。


  图像传感器的类型


  两种主要的成像技术是CCD(代表电荷耦合器件)和CMOS(您可能已经知道CMOS代表什么)。确实存在其他类型:NMOS传感器用于光谱学,微测辐射热计为热成像提供红外灵敏度,专门应用可能使用连接到定制放大器电路的光电二极管阵列。


  不过,我们将专注于CCD和CMOS。这两个通用传感器类别涵盖了非常广泛的应用和功能。


  CCD与CMOS


  似乎人性被“哪个更好?”的价值判断所吸引。种类。表面贴装还是通孔?BJT还是FET?佳能还是尼康?Windows还是Mac(或Linux)?此类问题很少有有意义的答案,甚至比较个人特征也很困难。


  那么,CMOS和CCD哪个更好?(叹气。)传统的比较是这样的:CCD具有更低的噪声、更好的像素到像素的均匀性以及卓越的图像质量的普遍声誉。CMOS传感器提供更高的集成度——这降低了电路设计者任务的复杂性——并降低了功耗。


  我并不是说这个评估不准确,但它的实用性是有限的。在很大程度上取决于您对传感器的需求以及您的要求和优先事项。


  此外,我什至不愿提出这些比较,原因有两个:首先,技术变化很快,投入到数字成像研发中的巨额资金可能会逐渐重新调整CCD与CMOS的格局。


  其次,图像传感器不产生图像;它是数字成像系统中的一个组件(当然是一个非常重要的组件),系统产生的感知图像质量不仅仅取决于传感器。我不怀疑CCD在某些光电特性方面优于CMOS传感器,但将CCD与卓越的整体图像质量联系起来似乎有些简化。


  系统注意事项


  基于CCD传感器的系统需要大量的设计投入。CCD需要各种非逻辑电平的电源和控制电压(包括负电压),并且必须应用于传感器的时序可能非常复杂。传感器产生的图像“数据”是需要仔细放大和采样的模拟波形,当然,任何信号处理或数据转换电路都是引入噪声的机会。


  低噪声性能始于CCD,但还不止于此——我们必须努力将整个信号链中的噪声降至最低。

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  这是CCD输出波形的示例。我们将在以后的文章中更多地讨论这个图。


  CMOS图像传感器是一个非常不同的故事。它们的工作方式更像标准集成电路,具有逻辑电平电压供应、片上图像处理和数字输出数据。您可能需要处理一些额外的图像噪声,但在许多应用程序中,这是为了大幅降低设计复杂性、开发成本和压力而付出的很小的代价。


  图像处理不是典型微控制器的任务,当您使用高帧率或高分辨率传感器时,它的要求尤其高。大多数应用都将受益于数字信号处理器或FPGA的计算能力。


  您还需要考虑压缩,尤其是当您需要将图像存储在内存中或无线传输它们时。这可以在软件或可编程硬件中执行,但在我看来,ADV212——ADI公司的JPEG压缩/解压ASIC——是一个很好的选择。

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