基礎(chǔ)知識(shí)之圖像傳感器

作者：時(shí)間：2024-03-12 來源：電子森林

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影像傳感器，是數(shù)碼相機(jī)的核心，也是最關(guān)鍵的技術(shù)。當(dāng)前主要是通過電子圖像傳感器以數(shù)字方式捕獲和存儲(chǔ)圖像或視頻，或者通過感光材料（例如膠片）以化學(xué)方式捕獲和存儲(chǔ)圖像或視頻。作為攝影和攝像領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，相機(jī)在視覺藝術(shù)、媒體、娛樂、監(jiān)控和科學(xué)研究的進(jìn)步中發(fā)揮了重要作用。相機(jī)的發(fā)明可以追溯到 19 世紀(jì)，此后隨著技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展，在 21 世紀(jì)出現(xiàn)了種類繁多的類型和型號(hào)。相機(jī)通過各種機(jī)械部件和原理的組合來發(fā)揮作用。其中包括曝光控制，調(diào)節(jié)到達(dá)傳感器或膠片的光量；聚焦光線的透鏡；取景器，允許用戶預(yù)覽場(chǎng)景；以及捕捉圖像的膠片或傳感器。目前存在多種類型的相機(jī)，每種類型都適合特定用途并提供獨(dú)特的功能。單鏡頭反光 (SLR) 相機(jī)通過鏡頭提供實(shí)時(shí)、精確的成像。大畫幅和中畫幅相機(jī)提供更高的圖像分辨率，通常用于專業(yè)和藝術(shù)攝影。緊湊型相機(jī)以其便攜性和簡(jiǎn)單性而聞名，在消費(fèi)攝影領(lǐng)域很受歡迎。測(cè)距相機(jī)具有獨(dú)立的觀察和成像系統(tǒng)，歷史上廣泛用于新聞攝影。電影攝影機(jī)專門用于拍攝電影內(nèi)容，而數(shù)碼相機(jī)20世紀(jì)末21世紀(jì)初盛行的技術(shù)，使用電子傳感器來捕捉和存儲(chǔ)圖像。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202403/456221.htm

電荷的產(chǎn)生：電荷耦合器件( CCD ) 是包含一系列鏈接或耦合電容器的集成電路。在外部電路的控制下，每個(gè)電容器都可以將其電荷轉(zhuǎn)移到相鄰的電容器。在 CCD圖像傳感器中，像素由p 摻雜金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器表示。這些MOS 電容器是 CCD 的基本構(gòu)建模塊，在圖像采集開始時(shí)偏置高于反轉(zhuǎn)閾值，從而允許在半導(dǎo)體-氧化物界面將傳入光子轉(zhuǎn)換為電子電荷；然后使用 CCD 讀出這些電荷。當(dāng)光線投射到 OCD表面的光敏象素 (MOS電容器 )上，光子穿過透明電極及氧化層，進(jìn)入 P型硅襯底(一般以P型硅為襯底)．襯底中處于價(jià)帶的電子吸收光子能量而躍人導(dǎo) 帶．形成電子一空穴對(duì)，電子一空穴對(duì)在外加電場(chǎng)作用下分別向電極兩端移動(dòng)，形成光生電荷即信號(hào)電荷電荷傳輸。通過將一定規(guī)則變化的電壓加到( 各電極上，電檻下的電荷包就能沿半導(dǎo)體表面按一定的方向移動(dòng)。通常把 CCD電極分為幾組．每一紐稱為一相，并施加同樣的時(shí)鐘。如三相CCD中，電荷在三相時(shí)鐘的變化下，電荷始終存貯在高電平電極下的課勢(shì)阱中，隨著高電乎時(shí)鐘向右移動(dòng)，電荷依次被移出。
電荷傳輸：可以把輸出過程看成是輸入過程的逆過程。CCD最后一個(gè)柵極中的電荷包通過輸出柵形成的“溝道”進(jìn)入到輸出二極管(反偏壓輸出二極管) ，此二極管將信號(hào)電荷收集并送前置放大器，從而完成電荷包上的信號(hào)檢測(cè)。根據(jù)輸出先后可以判別出電荷是從哪個(gè)光敏元來的，并根據(jù)輸出電荷量可知該光敏元受光的強(qiáng)弱。
CCD記錄圖像的過程：在用于捕獲圖像的 CCD 中，有一個(gè)光敏區(qū)域（硅外延層）和一個(gè)由移位寄存器制成的傳輸區(qū)域（準(zhǔn)確地說是 CCD）。圖像通過透鏡投射到電容器陣列（光敏區(qū)域）上，使每個(gè)電容器積累與該位置的光強(qiáng)度成比例的電荷。線掃描相機(jī)中使用的一維陣列捕獲圖像的單個(gè)切片，而視頻和靜態(tài)相機(jī)中使用的二維陣列捕獲與投影到焦平面上的場(chǎng)景相對(duì)應(yīng)的二維圖片傳感器的。一旦陣列暴露于圖像，控制電路就會(huì)使每個(gè)電容器將其內(nèi)容傳輸?shù)狡湎噜忞娙萜鳎ㄗ鳛橐莆患拇嫫鬟\(yùn)行）。陣列中的最后一個(gè)電容器將其電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)到電荷放大器中，電荷放大器將電荷轉(zhuǎn)換為電壓。通過重復(fù)這個(gè)過程，控制電路將半導(dǎo)體中陣列的全部?jī)?nèi)容轉(zhuǎn)換為電壓序列。在數(shù)字設(shè)備中，這些電壓隨后被采樣、數(shù)字化，并且通常存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中；在模擬設(shè)備（例如模擬攝像機(jī)）中，它們被處理成連續(xù)的模擬信號(hào)（例如，通過將電荷放大器的輸出饋入低通濾波器），然后將其處理并饋送到其他電路以用于傳輸、記錄或其他處理。

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)指的是一種半導(dǎo)體技術(shù)。在數(shù)字影像領(lǐng)域，CMOS作為一種低成本的感光元件技術(shù)被發(fā)展出來，市面上常見的數(shù)碼產(chǎn)品，其感光元件大部分是CMOS。CMOS制造工藝被應(yīng)用于制作數(shù)碼影像器材的感光元件，是將純粹邏輯運(yùn)算的功能轉(zhuǎn)變成接收外界光線后轉(zhuǎn)化為電能，再通過芯片內(nèi)部的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)將獲得的影像訊號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出。每個(gè)像素傳感器單元都有一個(gè)光電探測(cè)器（通常是釘扎光電二極管）和一個(gè)或多個(gè)有源晶體管，這導(dǎo)致捕獲光子的面積比 CCD 更小，但通過在每個(gè)光電二極管前面使用微透鏡已經(jīng)克服了這個(gè)問題，微透鏡將光聚焦到光電二極管中，否則這些光會(huì)撞擊放大器而不會(huì)被檢測(cè)到。一些 CMOS 成像傳感器還使用背面照明來增加撞擊光電二極管的光子數(shù)量。與 CCD 傳感器相比，CMOS 傳感器可以使用更少的組件、使用更少的功耗和/或提供更快的讀出速度來實(shí)現(xiàn)。它們也不易受到靜電放電的影響。其中CCD基于MOS電容器，而CMOS傳感器基于MOSFET (MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管)放大器。在金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS) 有源像素傳感器中，MOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET) 用作放大器。APS 有不同類型，包括早期的NMOS APS 和現(xiàn)在更常見的互補(bǔ) MOS (CMOS) APS，也稱為CMOS傳感器。

除了起感光作用的光電管以外，影像傳感器還包括一系列的其他構(gòu)件為了更好地利用光線。在每一像素前都裝有微透鏡，該透鏡起到“捆綁”光束的作用。微透鏡能夠減少邊緣光的損失。不同于傳統(tǒng)膠片，影像傳感器的光電二極管難以對(duì)傾斜射入的邊緣光束加以利用，照片四周較暗。微透鏡能使傳感器邊角處的光線也能垂直射入單個(gè)的光電管。單個(gè)光電管只能記錄亮度值，也就是說，光電管是“色盲”。為了拍出彩色照片，在光電二極管的前一層加裝了紅、綠、藍(lán)三原色濾色鏡。
普通列表項(xiàng)目拜耳濾鏡中，各濾鏡之間的比例關(guān)系為紅25%、藍(lán)25%、綠50%。電腦屏幕上的所有色彩都是由這三種色彩按照不同比例混合而成的。如果三種色彩全部記錄下最大光量，像素顯示為白色。反之，如果三原色什么都沒記錄下來，像素顯示為黑色。紅、綠、藍(lán)三種色彩相互疊加得到的各種色彩，涵蓋了人眼視力所能感知的所有色彩。綠色之所以占到一半，是因?yàn)槿搜蹖?duì)綠色更加敏感。傳感器前裝有一系列濾鏡，用于消除不想要的效果?；旧厦颗_(tái)數(shù)碼相機(jī)都裝有低通濾鏡低通濾鏡加裝在相機(jī)的傳感器前，允許低頻光線通過，阻擋高頻光線。低通濾鏡的作用在于減弱摩爾紋。磨爾紋是一種因數(shù)碼相機(jī)的感光元件受到高頻干擾，而在圖像上出現(xiàn)的彩色的、形狀不規(guī)律的干涉條紋。如果數(shù)碼相機(jī)感光元件的空間頻率與被攝對(duì)象的空間頻率接近，就會(huì)產(chǎn)生摩爾紋。如果鏡頭的分辨率小于感光元件的空間頻率，影像中就不會(huì)出現(xiàn)與感光元件空間頻率相近的條紋，也就不會(huì)產(chǎn)生摩爾紋。但是，目前的技術(shù)水平有限，只能靠加入低通濾鏡來減弱摩爾紋。然而，低通濾鏡有一弊端，那就是它會(huì)大大降低相機(jī)的成像銳度，影響畫質(zhì)。

車載：通過充分利用成像&感知技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高安全性能，專注于增強(qiáng)車載娛樂。