【微课堂】第六期：传感器- 大数跨境

显微智能 shinevia

2022-04-07

导读：在过去的十多年中，CMOS图像传感器（CIS）技术取得了令人瞩目的进步。多年来，图像传感器的性能已得到显著改

在过去的十多年中，CMOS图像传感器（CIS）技术取得了令人瞩目的进步。多年来，图像传感器的性能已得到显著改善，并且自从带有照相机功能的手机问世以来，CIS技术就获得了巨大商业成功。15年前，包括科学家和市场营销专家在内的许多人预测，CMOS图像传感器将完全取代CCD成像设备。

尽管CMOS在当今的成像中具有很强的地位，但它并没有完全取代CCD器件。另一个方面，对CMOS技术的驱动极大地增加了整个成像市场。CMOS图像传感器不仅创造了新的产品应用，而且还提高了CCD成像设备的性能。

图像传感器是将光学图像转换成电子信号的电子设备，转换方法因图像传感器的类型而异

目前主要有两种类型的CCD光敏元件，分别是线性CCD和矩阵性CCD。线性CCD用于高分辨率的静态照相机，它每次只拍摄图象的一条线，这与平板扫描仪扫描照片的方法相同。这种CCD精度高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用闪光灯。矩阵式CCD，它的每一个光敏元件代表图象中的一个像素，当快门打开时，整个图象一次同时曝光。通常矩阵式CCD用来处理色彩的方法有两种。一种是将彩色滤镜嵌在CCD矩阵中，相近的像素使用不同颜色的滤镜。典型的有G-R-G-B和C-Y-G-M两种排列方式。这两种排列方式成像的原理都是一样的。在记录照片的过程中，相机内部的微处理器从每个像素获得信号，将相邻的四个点合成为一个像素点。该方法允许瞬间曝光，微处理器能运算地非常快。这就是大多数数码相机CCD的成像原理。因为不是同点合成，其中包含着数学计算，因此这种CCD最大的缺陷是所产生的图象总是无法达到如刀刻般的锐利。

模拟：CCD执行光子到电子的转换

数字：CMOS图像传感器（CIS）执行光子到电压的转换

图像传感器用于数码相机和成像设备中，将从相机或成像设备接收的光转换为数字图像。

如今，有两种不同的数字捕获图像技术。

CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素。像素数越高,面积越大,成像质量就越高越清晰。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线、储存信号并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给相邻的图像处理器来形成图像。MOS电容器是构成CCD的最基本单元，它是金属—氧化物—半导体器件中结构最为简单的。

（CCD）

电荷耦合器件是线性传感器，其输出与接收到的光子数直接相关；

互补金属氧化物半导体）是一种较新的并行读出技术。

两种类型的成像设备都将光转换为电子（或电荷），然后可以将其处理为电子信号。

（CMOS0)

CCD旨在将电荷从一个像素移动到另一个像素，直到电荷到达专用读取区域中存在的放大器，CMOS图像传感器直接在像素中集成放大。更加先进的CIS技术提供了一种作为一组并行读出架构，其中每个像素都可以单独寻址或作为一组并行读出。

在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。到目前为止，市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为感应器;CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上，若有哪家摄像头厂商生产的摄像头使用CCD感应器，厂商一定会不遗余力地以其作为卖点大肆宣传，甚至冠以“数码相机”之名。一时间，是否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。

CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电，不像由二极管组成的CCD，CMOS 电路几乎没有静态电量消耗，只有在电路接通时才有电量的消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右，这有助于改善人们心目中数码相机是"电老虎"的不良印象。CMOS主要问题是在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而过热。暗电流抑制得好就问题不大，如果抑制得不好就十分容易出现杂点。

此外，CMOS与CCD的图像数据扫描方法有很大的差别。例如，如果分辨率为300万像素，那么CCD传感器可连续扫描300万个电荷，扫描的方法非常简单，就好像把水桶从一个人传给另一个人，并且只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器。因此，CMOS传感器可以在每个像素基础上进行信号放大，采用这种方法可节省任何无效的传输操作，所以只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描，同时噪音也有所降低。这就是佳能的像素内电荷完全转送技术。

CMOS图像传感器有四个主要组件：光电二极管，像素设计，彩色滤光片，微透镜；

光电二极管用于捕捉光，一般用于实现这一功能的是PIN二极管或PN结器件。最广泛实现的像素设计被称为“有源像素传感器”。

通常使用3-6个晶体管，它们可以从大型电容阵列中获得或缓冲像素。彩色滤光片用于大型电容阵列中获得或缓冲像素。彩色滤光片用于分离反射光的红、绿、蓝（RGB）成分。最后，微透镜从CIS的非活性部分收集光，并将其聚焦到光电二极管，微透镜通常具有球形表面和网状透镜

CCD的基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测：

（1）信号电荷的注入（产生）：在CCD中，电荷注入的方式可分为光注入和电注入两类。当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对，多数载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷注入到相应的势阱中。电注入常用的有电流注入和电压注入两种方式。

（2）信号电荷的存储：CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。

（3）信号电荷的传输（耦合）：CCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。

（4）信号电荷的检测：CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。

CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS电容器组成的阵列。在P型或N型硅衬底上生长一层很薄的二氧化硅,再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极，形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。

CCD工作示意图

CCD的发明具有划时代的意义，它的出现使得人类捕捉信息达85%的眼睛这个重要器官得到了极大扩展与延申。促进CCD快速发展主要有三个因素：首先，CCD的尺寸小，重量轻，消耗功率少，超低噪声，动态范围较大，线性良好，可靠，耐用。第二，这种器件在形状、快速、外形质量和成本方面能与真空管抗衡。第三，空间成像应用需要新的探测器。

但是，科学技术的进步一刻也不曾停止。1998年，CMOS图像传感器诞生了。CMOS的光电信息转换功能与CCD的基本相似，区别就在于这两种传感器的光电转换后信息传送的方式不同。CMOS具有读取信息的方式简单、输出信息速率快、耗电少(仅为CCD芯片的1/10左右)、体积小、重量轻、集成度高、价格低等特点。从2008年开始，各大厂商都开始逐渐把背照式CMOS使用在不同的数码相机产品上。从此，CMOS图像传感器迅速发展。科技不断发展，相信在未来的某一天，一定会有更多种类的传感器出现，这也只是时间的问题，到那时我们回望过去，看看我们曾经经历过的胶片时代、CCD时代和CMOS时代，一定会由衷的感叹科技日新月异的飞速发展。

显微智能科技有限公司成立于2017年，拥有领先的特殊光成像技术平台，其原研首创的皮摩尔级超高灵敏度图像探测器全球领先。目前，公司获得相关专利一百余项，其特殊光成像领域的相关专利检索量全球前三，并已形成两腺外科荧光导航设备、微创外科荧光导航设备和一次性手术耗材的产品布局，构造了“设备+耗材”的商业闭环。其中，甲状旁腺成像系统、三示踪荧光内窥镜系统等产品均为国内首创。显微智能也是国际范围内少数可以掌握自体荧光成像技术并成功完成商业化的公司之一。

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