在這一點(diǎn)上，電子電路已經(jīng)取代膠片成為記錄光的主要手段是不言而喻的。數(shù)以億計(jì)（如果不是數(shù)十億）的人生活在智能手機(jī)觸手可及的地方，而智能手機(jī)也是相機(jī)，其中許多人可能對使用膠片相機(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)超出智能手機(jī)文化甚至攝影或攝像。我在數(shù)碼相機(jī)設(shè)計(jì)方面的所有經(jīng)驗(yàn)都發(fā)生在國防工業(yè)和其他各個(gè)領(lǐng)域——我想到的是制造、安全、醫(yī)療保健和環(huán)境科學(xué)——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(xué)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)化為電能后，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)換是通過光電二極管完成的，它是一個(gè)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。 

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 年代固定光電二極管的引入解決了與光生電荷延遲轉(zhuǎn)移相關(guān)的問題（稱為“滯后”）。固定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）。

現(xiàn)在，幾乎所有的CCD和CMOS圖像傳感器中的感光元件都是固定光電二極管。   

圖像傳感器的類型

兩種主要的成像技術(shù)是 CCD（電荷耦合器件）和 CMOS（您可能已經(jīng)知道 CMOS 代表什么）。確實(shí)存在其他類型：NMOS 傳感器用于光譜學(xué)，微測輻射熱計(jì)為熱成像提供紅外靈敏度，而特殊應(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(gè)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(gè)更好？”的價(jià)值判斷所吸引。種類。表面貼裝還是通孔？BJT 還是場效應(yīng)管？佳能還是尼康？Windows 或 Mac（或 Linux）？這些問題很少有有意義的答案，甚至比較個(gè)體特征也很困難。

那么，CMOS 和 CCD 哪個(gè)更好呢？（嘆氣。）傳統(tǒng)的比較是這樣的：CCD 具有更低的噪聲、更好的像素到像素均勻性，以及卓越圖像質(zhì)量的普遍聲譽(yù)。CMOS 傳感器提供了更高的集成度——這降低了電路設(shè)計(jì)人員任務(wù)的復(fù)雜性——以及更低的功耗。

我并不是說這個(gè)評估不準(zhǔn)確，但它的效用是有限的。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)先級。

此外，我什至不愿意提出這些比較，原因有二：首先，技術(shù)變化很快，投入數(shù)字成像研發(fā)的巨額資金可能會逐漸重新規(guī)劃 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（可以肯定的是，這是一個(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)系起來似乎有些簡化。

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)”是模擬波形，需要仔細(xì)放大和采樣，當(dāng)然任何信號處理或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路都有引入噪聲的機(jī)會。

低噪聲性能始于 CCD，但并不止于此——我們必須努力將整個(gè)信號鏈中的噪聲降至。

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)圖表。

CMOS 圖像傳感器是一個(gè)非常不同的故事。它們的運(yùn)行更像標(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)用中，這是為了大幅降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性、開發(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)用程序都將受益于數(shù)字信號處理器或FPGA的計(jì)算能力。

您還需要考慮壓縮，尤其是當(dāng)您需要將圖像存儲在內(nèi)存中或以無線方式傳輸它們時(shí)。這可以在軟件或可編程硬件中執(zhí)行，但在我看來，ADV212（Analog Devices 的 JPEG 壓縮/解壓縮 ASIC）是一個(gè)很好的選擇。