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从光子到电子,图像传感器技术简介

2020-04-06 12:51:03 来源:EETOP编译

光子和电子

电子成像的基本前提是,光能以保留视觉信息的方式转化为电能,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,启动了捕捉数字图像的过程。在入射光子传递的能量被转换为电能后,系统必须具有某种方式来量化这种能量,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,它是一个PN结,其结构有利于产生响应入射光的电子空穴对。

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、碲化汞镉等)也被用于各种特殊用途。

Pinned型光电二极管

图像传感器技术的一个重要进步是研究人员创造了一种Pinned型的光电二极管。在上图中,光电二极管与普通二极管一样,由一个p型区域和一个n型区域组成。

Pinned型光电二极管有一个额外的区域,由高度掺杂的p型(简称p+)半导体制成;如图所示,它比其他两个区域更薄。

该图展示了集成到图像传感器中的Pinned光电二极管的结构

 在1980年代引入的Pinned光电二极管解决了与光产生的电荷延迟转移相关的问题(称为 "滞后")。Pinned光电二极管还提供了高的量子效率、改进的噪声性能和较低的暗电流(我们将在本系列的后面再谈这些概念)。

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

图像传感器的类型

两种主要的成像技术是CCD(电荷耦合器件)和CMOS。

此外还有一些其他类型的传感器,比如NMOS传感器用于光谱学,微型测光仪提供红外热成像的灵敏度,而特殊应用可能会使用连接到定制放大器电路的光电二极管阵列。

尽管如此,我们将专注于CCD和CMOS。这两个常规传感器类别涵盖了非常广泛的应用和功能。 

CCD与CMOS

似乎人们都会被“哪个更好?”的价值判断所吸引。比如表面安装还是通孔?BJT或FET?佳能还是尼康?Windows或Mac(或Linux)?这些问题很少有有意义的答案,即使是比较个别的特性也会有困难。

那么,CMOS或CCD哪个更好?传统的比较是这样的:CCD具有更低的噪声,更好的像素间均匀性,并且以卓越的图像质量而享有盛誉。CMOS传感器提供了更高的集成度-降低了电路设计人员的工作复杂度-并降低了功耗。

我并不是说此评估是不准确的,但其实用性有限。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级。

此外技术日新月异,投入到数字成像研发中的大量资金可能会逐渐改变CCD与CMOS的格局。

其次,图像传感器不会产生图像。它是数字成像系统中的一个组成部分(当然是非常重要的组成部分),并且系统产生的感知图像质量不仅取决于传感器,还取决于更多因素。毫无疑问,就某些光电特性而言,CCD的性能要优于CMOS传感器,。但是将CCD与更高的整体图像质量联系起来似乎有点不太合理。

系统设计的考虑

一个基于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),必须应用到传感器上的时序可能非常复杂。传感器产生的图像“数据”是一个需要精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有可能引入噪声。

低噪声性能始于CCD,但并没有到此为止-我们必须努力将整个信号链中的噪声降至最低。

CCD输出波形

 CMOS图像传感器的情况截然不同。它们的工作方式更像是标准的集成电路,具有逻辑电平的电压源,片上图像处理和数字输出数据。您可能还需要处理一些额外的图像噪声,但是在许多应用中,这对于大大降低设计复杂性、开发成本和压力来说是一个很小的代价。

图像处理不是一个典型的微控制器的任务,尤其是当你使用高帧率或高分辨率传感器时。大多数应用将受益于数字信号处理器FPGA的计算能力。

还需要考虑压缩,尤其是当您需要将图像存储在内存中或以无线方式传输图像时。这可以通过软件可编程硬件来执行。

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