图像传感器技术简介，从光子到电子

在这一点上，电子电路已经取代胶片成为记录光的主要手段是不言而喻的。数以亿计（如果不是数十亿）的人生活在智能手机触手可及的地方，而智能手机也是相机，其中许多人可能对使用胶片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智能手机文化甚至摄影或摄像。我在数码相机设计方面的所有经验都发生在国防工业和其他各个领域——我想到的是制造、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化为电能后，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，从光到电的转换是通过光电二极管完成的，它是一个pn 结，其结构有利于响应入射光产生电子空穴对。 

 

 

Photodiodes are commonly made from silicon, but other semiconductor materials (such as indium arsenide, indium antimonide, and mercury cadmium telluride) are used in various specialized applications.

 

The Pinned Photodiode

An important advancement in image sensor technology occurred when researchers created something called a pinned photodiode. In the above diagram, the photodiode is like a normal diode in that it consists of one p-type region and one n-type region.

A pinned photodiode has an additional region made from highly doped p-type (abbreviated p+) semiconductor; as shown in the diagram, it is thinner than the other two regions.

 

This diagram conveys the structure of a pinned photodiode integrated into an image sensor.

 

1980 年代固定光电二极管的引入解决了与光生电荷延迟转移相关的问题（称为“滞后”）。固定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）。

现在，几乎所有的CCD和CMOS图像传感器中的感光元件都是固定光电二极管。   

 

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（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，而特殊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 还是场效应管？佳能还是尼康？Windows 或 Mac（或 Linux）？这些问题很少有有意义的答案，甚至比较个体特征也很困难。

那么，CMOS 和 CCD 哪个更好呢？（叹气。）传统的比较是这样的：CCD 具有更低的噪声、更好的像素到像素均匀性，以及卓越图像质量的普遍声誉。CMOS 传感器提供了更高的集成度——这降低了电路设计人员任务的复杂性——以及更低的功耗。

我并不是说这个评估不准确，但它的效用是有限的。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，我什至不愿意提出这些比较，原因有二：首先，技术变化很快，投入数字成像研发的巨额资金可能会逐渐重新规划 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（可以肯定的是，这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”是模拟波形，需要仔细放大和采样，当然任何信号处理或数据转换电路都有引入噪声的机会。

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

 

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表。

 

CMOS 图像传感器是一个非常不同的故事。它们的运行更像标准集成电路，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。大多数应用程序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以无线方式传输它们时。这可以在软件或可编程硬件中执行，但在我看来，ADV212（Analog Devices 的 JPEG 压缩/解压缩 ASIC）是一个很好的选择。