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高速攝像機的圖像傳感器

       圖像傳感器作為一種基礎(chǔ)器件，因能實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴展，并能給出直觀、真實、層次多、內(nèi)容豐富的可視圖像信息，在現(xiàn)代社會中得到了越來越廣泛地應(yīng)用。

       20世紀60年代以前，攝像是用各種電子束攝像管來實現(xiàn)，60年代后期，各種固態(tài)圖像傳感器得到了迅速的發(fā)展。固態(tài)圖像傳感器主要分為兩類：一類是電荷耦合式圖像傳感器（CCDS），它從70年代開始就一直在圖像傳感領(lǐng)域占據(jù)支配地位，如今在市場上依然保持著優(yōu)勢；另一類是CMOS圖像傳感器，雖在60年代就出現(xiàn)，但因其性能差，像素面積相對較大而沒有被當時的市場所接受。從90年代初開始，亞微米CMOS工藝的實用性、CMOS制造工藝的成熟和低噪聲有源像素傳感新概念的出現(xiàn)，都促成了現(xiàn)今高性能CMOS圖像傳感器的迅速發(fā)展。在未來的電子消費市場里，人們需要的是一種高分辨率、高速、低功耗、低成本、小型化和高集成數(shù)字式的圖像系統(tǒng)，而CCDS存在一些自身技術(shù)無法克服的缺點，因此，尚未成熟但更有發(fā)展空間的CMOS圖像傳感器設(shè)計日益得到人們的重視。

       固態(tài)圖像傳感器是指將布設(shè)在半導體襯底上許多能實現(xiàn)光－電信號轉(zhuǎn)換的小單元，用所控制的時鐘脈沖實現(xiàn)讀取的一類功能器件。感光小單元簡稱為“像元”或“像點”。它們本身在空間和電氣上是彼此獨立的。固態(tài)圖像傳感器具有體積小、重量輕、解析度高、功耗低和可低電壓驅(qū)動等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于電視、圖像處理、測量、自動控制和機器人等領(lǐng)域。

      下圖是光導攝像管與固態(tài)圖像傳感器的基本原理的比較。如圖（a）所示，當入射光信號照射到攝像管中間電極表面時，其上將產(chǎn)生與各點照射光量成比例的電位分布。若用電子束掃描中間電極，負載上便會產(chǎn)生變化的放電電流。由于光量不同而使負載電流發(fā)生變化，這就是所需的輸出電信號。

       而圖（ｂ）所示的固態(tài)圖像傳感器的輸出信號的產(chǎn)生，不需外加掃描電子束，它可以直接由自掃描半導體襯底上諸像素而獲得。輸出電信號與像素的位置對應(yīng)，因而，再生圖像失真度極小。顯然，光導攝像管等圖像傳感器，由于掃描電子束偏轉(zhuǎn)畸變或聚焦變化等原因所引起的再生圖像的失真，往往是很難避免的。圖 攝像管與固態(tài)圖像傳感器原理比較（ａ）光導攝像管；（ｂ）固態(tài)圖像傳感器。

       失真度極小的固態(tài)圖像傳感器，非常適合測試技術(shù)及圖像識別技術(shù)。此外，固態(tài)圖像傳感器與攝像管相比，還有體積小、重量輕、堅固耐用、抗沖擊、耐振動、抗電磁干擾能力強以及耗電少等許多優(yōu)點。固態(tài)圖像傳感器所用的敏感器件為電荷耦合器件（CCD）、電荷注入器件（CID）、戽鏈式件（BBD）、互補金屬氧化物半導體器件（CMOS）等，它們大都可以在半導體集成器件的流水線上進行生產(chǎn)（例如：MOS、BBD用標準MOS工藝流程就能制造），因此，固態(tài)圖像傳感器的成本也較低。

       從2001年到2003年相繼進入市場或即將進入市場的高速錄像看，CMOS傳感器占有90％的份額，很多研究機構(gòu)都正在利用自定義的標準對CMOS進行研究和生產(chǎn)。以產(chǎn)品類別區(qū)分，圖像傳感器產(chǎn)品主要分為CCD、CMOS以及CIS傳感器三種。這里主要簡介CCD以及CMOS傳感器的技術(shù)。