在這一點上，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)以億計，甚至數(shù)十億的人生活在智能手機和相機的伸手可及的范圍內(nèi)，其中許多人可能對使用基于膠片的相機而不是電子設(shè)備拍照的可能性只有模糊的想法.

　　此外，數(shù)字成像的重要性遠遠超出了智能手機文化甚至專業(yè)攝影或攝像。我在數(shù)碼相機設(shè)計方面的所有經(jīng)驗都發(fā)生在國防工業(yè)，而其他各個行業(yè)制造、安全、醫(yī)療保健和環(huán)境科學都依賴于各種類型的圖像傳感器。

　　光子和電子

　　電子成像的基本前提是光可以以保留視覺信息的方式轉(zhuǎn)換為電能，從而使我們能夠重建場景的光學特性。光子和電子之間的這種可預(yù)測的相互作用啟動了捕獲數(shù)字圖像的過程。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，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。

　　光電二極管通常由硅制成，但其他半導體材料（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

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

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

　　該圖傳達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)的問題（稱為滯后）。釘扎光電二極管還提供高量子效率、改進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）。確實存在其他類型：NMOS傳感器用于光譜學，微測輻射熱計為熱成像提供紅外靈敏度，專門應(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，我們將專注于CCD和CMOS。這兩個通用傳感器類別涵蓋了非常廣泛的應(yīng)用和功能。

　　CCD與CMOS

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

　　那么，CMOS和CCD哪個更好？（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。CMOS傳感器提供更高的集成度這降低了電路設(shè)計者任務(wù)的復雜性并降低了功耗。

　　我并不是說這個評估不準確，但它的實用性是有限的。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)先事項。

　　此外，我什至不愿提出這些比較，原因有兩個：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)中的一個組件（當然是一個非常重要的組件），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)系起來似乎有些簡化。

　　系統(tǒng)注意事項

　　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（包括負電壓），并且必須應(yīng)用于傳感器的時序可能非常復雜。傳感器產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)是需要仔細放大和采樣的模擬波形，當然，任何信號處理或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路都是引入噪聲的機會。

　　低噪聲性能始于CCD，但還不止于此我們必須努力將整個信號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圖。

　　CMOS圖像傳感器是一個非常不同的故事。它們的工作方式更像標準集成電路，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)計復雜性、開發(fā)成本和壓力而付出的很小的代價。

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

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