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景的光學(xué)特性。光子和電子之間的這種可預(yù)測的相互作用，啟動了捕捉數(shù)字圖像的過程。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量化這種能量，并將其存儲為數(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。
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。
Pinned型光電二極管
圖像傳感器技術(shù)的一個重要進(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p型區(qū)域和一個n型區(qū)域組成。
Pinned型光電二極管有一個額外的區(qū)域，由高度摻雜的p型(簡稱p+)半導(dǎo)體制成;如圖所示，它比其他兩個區(qū)域更薄。
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)，微型測光儀提供紅外熱成像的靈敏度，而特殊應(yīng)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(guī)傳感器類別涵蓋了非常廣泛的應(yīng)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(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。CMOS傳感器提供了更高的集成度-降低了電路設(shè)計人員的工作復(fù)雜度-并降低了功耗。
我并不是說此評估是不準(zhǔn)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(yōu)先級。
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逐漸改變CCD與CMOS的格局。
其次，圖像傳感器不會產(chǎn)生圖像。它是數(shù)字成像系統(tǒng)中的一個組成部分(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。毫無疑問，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)系起來似乎有點不太合理。
系統(tǒng)設(shè)計的考慮
一個基于CCD傳感器的系統(tǒng)需要大量的設(shè)計投入。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)用到傳感器上的時序可能非常復(fù)雜。傳感器產(chǎn)生的圖像“數(shù)據(jù)”是一個需要精細(xì)放大和采樣的模擬波形，當(dāng)然，任何信號處理或數(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信號鏈中的噪聲降至最低。
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，這對于大大降低設(shè)計復(fù)雜性、開發(fā)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(wù)，尤其是當(dāng)你使用高幀率或高分辨率傳感器時。大多數(shù)應(yīng)用將受益于數(shù)字信號處理器或FPGA的計算能力。
還需要考慮壓縮，尤其是當(dāng)您需要將圖像存儲在內(nèi)存中或以無線方式傳輸圖像時。這可以通過軟件或可編程硬件來執(zhí)行。
（EETOP編譯自allaboutcircuits）
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