在這一點(diǎn)上，電子電路已取代膠片成為記錄光的主要手段，這是不言而喻的。數(shù)以?xún)|計(jì)，甚至數(shù)十億的人生活在智能手機(jī)和相機(jī)的伸手可及的范圍內(nèi)，其中許多人可能對(duì)使用基于膠片的相機(jī)而不是電子設(shè)備拍照的可能性只有模糊的想法.

　　此外，數(shù)字成像的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了智能手機(jī)文化甚至專(zhuān)業(yè)攝影或攝像。我在數(shù)碼相機(jī)設(shè)計(jì)方面的所有經(jīng)驗(yàn)都發(fā)生在國(guó)防工業(yè)，而其他各個(gè)行業(yè)制造、安全、醫(yī)療保健和環(huán)境科學(xué)都依賴(lài)于各種類(lèi)型的圖像傳感器。

　　光子和電子

　　電子成像的基本前提是光可以以保留視覺(jué)信息的方式轉(zhuǎn)換為電能，從而使我們能夠重建場(chǎng)景的光學(xué)特性。光子和電子之間的這種可預(yù)測(cè)的相互作用啟動(dòng)了捕獲數(shù)字圖像的過(guò)程。在入射光子傳遞的能量轉(zhuǎn)換為電能之后，系統(tǒng)必須有某種方法來(lái)量化這種能量并將其存儲(chǔ)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，光電二極管是一種pn結(jié)，其結(jié)構(gòu)有利于響應(yīng)入射光產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。

　　光電二極管通常由硅制成，但其他半導(dǎo)體材料（如砷化銦、銻化銦和碲化鎘汞）用于各種特殊應(yīng)用。

　　固定光電二極管

　　當(dāng)研究人員創(chuàng)造出一種稱(chēng)為釘扎光電二極管的東西時(shí)，圖像傳感器技術(shù)取得了重大進(jìn)步。在上圖中，光電二極管就像一個(gè)普通的二極管，它由一個(gè)p型區(qū)域和一個(gè)n型區(qū)域組成。

　　釘扎光電二極管有一個(gè)由高摻雜p型（縮寫(xiě)為p+）半導(dǎo)體制成的附加區(qū)域；如圖所示，它比其他兩個(gè)區(qū)域更薄。

　　該圖傳達(dá)了集成到圖像傳感器中的釘扎光電二極管的結(jié)構(gòu)。

　　1980年代引入釘扎光電二極管解決了與光生電荷延遲轉(zhuǎn)移相關(guān)的問(wèn)題（稱(chēng)為滯后）。釘扎光電二極管還提供高量子效率、改進(jìn)的噪聲性能和低暗電流（我們將在本系列的后面部分回到這些概念）。

　　如今，幾乎所有CCD和CMOS圖像傳感器中的光敏元件都是釘扎光電二極管。

　　圖像傳感器的類(lèi)型

　　兩種主要的成像技術(shù)是CCD（代表電荷耦合器件）和CMOS（您可能已經(jīng)知道CMOS代表什么）。確實(shí)存在其他類(lèi)型：NMOS傳感器用于光譜學(xué)，微測(cè)輻射熱計(jì)為熱成像提供紅外靈敏度，專(zhuān)門(mén)應(yīng)用可能使用連接到定制放大器電路的光電二極管陣列。

　　不過(guò)，我們將專(zhuān)注于CCD和CMOS。這兩個(gè)通用傳感器類(lèi)別涵蓋了非常廣泛的應(yīng)用和功能。

　　CCD與CMOS

　　似乎人性被哪個(gè)更好？的價(jià)值判斷所吸引。種類(lèi)。表面貼裝還是通孔？BJT還是FET？佳能還是尼康？Windows還是Mac（或Linux）？此類(lèi)問(wèn)題很少有有意義的答案，甚至比較個(gè)人特征也很困難。

　　那么，CMOS和CCD哪個(gè)更好？（嘆氣。）傳統(tǒng)的比較是這樣的：CCD具有更低的噪聲、更好的像素到像素的均勻性以及卓越的圖像質(zhì)量的普遍聲譽(yù)。CMOS傳感器提供更高的集成度這降低了電路設(shè)計(jì)者任務(wù)的復(fù)雜性并降低了功耗。

　　我并不是說(shuō)這個(gè)評(píng)估不準(zhǔn)確，但它的實(shí)用性是有限的。在很大程度上取決于您對(duì)傳感器的需求以及您的要求和優(yōu)先事項(xiàng)。

　　此外，我什至不愿提出這些比較，原因有兩個(gè)：首先，技術(shù)變化很快，投入到數(shù)字成像研發(fā)中的巨額資金可能會(huì)逐漸重新調(diào)整CCD與CMOS的格局。

　　其次，圖像傳感器不產(chǎn)生圖像；它是數(shù)字成像系統(tǒng)中的一個(gè)組件（當(dāng)然是一個(gè)非常重要的組件），系統(tǒng)產(chǎn)生的感知圖像質(zhì)量不僅僅取決于傳感器。我不懷疑CCD在某些光電特性方面優(yōu)于CMOS傳感器，但將CCD與卓越的整體圖像質(zhì)量聯(lián)系起來(lái)似乎有些簡(jiǎn)化。

　　系統(tǒng)注意事項(xiàng)

　　基于CCD傳感器的系統(tǒng)需要大量的設(shè)計(jì)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），并且必須應(yīng)用于傳感器的時(shí)序可能非常復(fù)雜。傳感器產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)是需要仔細(xì)放大和采樣的模擬波形，當(dāng)然，任何信號(hào)處理或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路都是引入噪聲的機(jī)會(huì)。

　　低噪聲性能始于CCD，但還不止于此我們必須努力將整個(gè)信號(hào)鏈中的噪聲降至最低。

　　這是CCD輸出波形的示例。我們將在以后的文章中更多地討論這個(gè)圖。

　　CMOS圖像傳感器是一個(gè)非常不同的故事。它們的工作方式更像標(biāo)準(zhǔn)集成電路，具有邏輯電平電壓供應(yīng)、片上圖像處理和數(shù)字輸出數(shù)據(jù)。您可能需要處理一些額外的圖像噪聲，但在許多應(yīng)用程序中，這是為了大幅降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性、開(kāi)發(fā)成本和壓力而付出的很小的代價(jià)。

　　圖像處理不是典型微控制器的任務(wù)，當(dāng)您使用高幀率或高分辨率傳感器時(shí)，它的要求尤其高。大多數(shù)應(yīng)用都將受益于數(shù)字信號(hào)處理器或FPGA的計(jì)算能力。

　　您還需要考慮壓縮，尤其是當(dāng)您需要將圖像存儲(chǔ)在內(nèi)存中或無(wú)線(xiàn)傳輸它們時(shí)。這可以在軟件或可編程硬件中執(zhí)行，但在我看來(lái)，ADV212ADI公司的JPEG壓縮/解壓ASIC是一個(gè)很好的選擇。