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高速摄像机的图像传感器

       图像传感器作为一种基础器件,因能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展,并能给出直观、真实、层次多、内容丰富的可视图像信息,在现代社会中得到了越来越广泛地应用。

       20世纪60年代以前,摄像是用各种电子束摄像管来实现,60年代后期,各种固态图像传感器得到了迅速的发展。固态图像传感器主要分为两类:一类是电荷耦合式图像传感器(CCDS),它从70年代开始就一直在图像传感领域占据支配地位,如今在市场上依然保持着优势;另一类是CMOS图像传感器,虽在60年代就出现,但因其性能差,像素面积相对较大而没有被当时的市场所接受。从90年代初开始,亚微米CMOS工艺的实用性、CMOS制造工艺的成熟和低噪声有源像素传感新概念的出现,都促成了现今高性能CMOS图像传感器的迅速发展。在未来的电子消费市场里,人们需要的是一种高分辨率、高速、低功耗、低成本、小型化和高集成数字式的图像系统,而CCDS存在一些自身技术无法克服的缺点,因此,尚未成熟但更有发展空间的CMOS图像传感器设计日益得到人们的重视。

       固态图像传感器是指将布设在半导体衬底上许多能实现光-电信号转换的小单元,用所控制的时钟脉冲实现读取的一类功能器件。感光小单元简称为“像元”或“像点”。它们本身在空间和电气上是彼此独立的。固态图像传感器具有体积小、重量轻、解析度高、功耗低和可低电压驱动等优点,目前已广泛应用于电视、图像处理、测量、自动控制和机器人等领域。

      下图是光导摄像管与固态图像传感器的基本原理的比较。如图(a)所示,当入射光信号照射到摄像管中间电极表面时,其上将产生与各点照射光量成比例的电位分布。若用电子束扫描中间电极,负载上便会产生变化的放电电流。由于光量不同而使负载电流发生变化,这就是所需的输出电信号。

       而图(b)所示的固态图像传感器的输出信号的产生,不需外加扫描电子束,它可以直接由自扫描半导体衬底上诸像素而获得。输出电信号与像素的位置对应,因而,再生图像失真度极小。显然,光导摄像管等图像传感器,由于扫描电子束偏转畸变或聚焦变化等原因所引起的再生图像的失真,往往是很难避免的。图 摄像管与固态图像传感器原理比较(a)光导摄像管;(b)固态图像传感器。

       失真度极小的固态图像传感器,非常适合测试技术及图像识别技术。此外,固态图像传感器与摄像管相比,还有体积小、重量轻、坚固耐用、抗冲击、耐振动、抗电磁干扰能力强以及耗电少等许多优点。固态图像传感器所用的敏感器件为电荷耦合器件(CCD)、电荷注入器件(CID)、戽链式件(BBD)、互补金属氧化物半导体器件(CMOS)等,它们大都可以在半导体集成器件的流水线上进行生产(例如:MOS、BBD用标准MOS工艺流程就能制造),因此,固态图像传感器的成本也较低。

       从2001年到2003年相继进入市场或即将进入市场的高速录像看,CMOS传感器占有90%的份额,很多研究机构都正在利用自定义的标准对CMOS进行研究和生产。以产品类别区分,图像传感器产品主要分为CCD、CMOS以及CIS传感器三种。这里主要简介CCD以及CMOS传感器的技术。
 

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