图像传感技术

计算机术语

图像传感技术是在光电技术基础上发展起来的，利用光电器件的光—电转化功能，将其感光面上的光信号转换为与光信号成对应比例关系的电信号“图像”的一门技术，该技术将光学图像转换成一维时序信号，其关键器件是图像传感器。

固态图像传感器

固态图像传感器是利用光敏元件的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成比例的电荷包空间分布，然后利用移位寄存器功能将这些电荷包在时钟脉冲控制实现读取与输出，形成一系列幅值不等的时钟脉冲序列，完成光图像的电转换。

1.1 固态图像传感器的特点

固态图像传感器是在同一半导体衬底上布设光敏元件阵列和电荷转移器件而构成的集成化、功能化的光电器件，其核心是电荷转移器件（Charge Transfer Device，CTD），包括电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）、电荷注入器件（Charge Injected Device，CID）、金属氧化物半导体器件等，最常用的是CCD。自1970年问世以后，CCD图像传感器以它的低噪声、易集成等特点，已广泛应用于微光电视摄像、信息存储和信息处理等众多领域。

图1给出了光导摄像管与固态图像传感器的基本结构，其中（a）为光导摄像管，（b）为固态图像传感器。

与光导摄像管相比，固态图像传感器再生图像失真度极小，因此，非常适合测试技术及图像识别技术。此外，固态图像传感器还具有体积小、重量轻、坚固耐用、抗冲击、抗振动、抗电磁干扰能力强以及耗电少等许多优点。又因为固态图像传感器所用的敏感元件易于批量生产，所以固态图像传感器的成本较低。

固态图像传感器也有不足之处，例如分辨率和图像质量都不如光导摄像管。此外，固态图像传感器的光谱响应通常只能限定在0.4～1.2μm（可见光与近红外光）范围内，应用有一定的局限性。

1.2 固态图像传感器分类

固态图像传感器一般都包括光敏单元和电荷寄存器两个主要部分。根据光敏元件排列形式不同，固态图像传感器可分为线形和面型两种。根据所用的敏感器件不同，又可分为CCD、MOS线型传感器以及CCD、CID、MOS阵列式面型传感器等。

1.2.1线型图像传感器

线型固态传感器有4种类型，分别为：

l MOS式，以光电二极管构成，如图2（a）所示；

l 光积蓄式，采用CCD元件构成，如图2（b）所示；

l 分离式，即光敏单元与电荷寄存器分离，采用CCD元件构成，如图2（c）所示；

l 光敏单元两侧放置电荷寄存器的双读出式，采用CCD元件，如图2（d）所示。

其中，双读出式器件是线型固态图像传感器的主要形式。

1.2.2面型图像传感器

固态面型图像传感器主要有4种类型：

l X-Y选址式，由MOS或CID器件构成，如图3（a）所示；

l 行选址式，由CCD器件构成，如图3（b）所示；

l 帧场传输式，由CCD器件构成，如图3（c）所示；

l 行间传输式，由CCD器件构成，如图3（d）所示。

上述面型图像传感器中，基于MOS元件的X-Y选址式传感器最早出现。因图像质量不佳，MOS型传感器正在被CID型X-Y选址式图像传感器取代。帧场传输式和行间传输式是比较实用的面型图像传感器。

目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，产品的单元数也越来越多。无论面型或是线型，CCD图像传感器都是当今图像探测技术的主流。

红外图像传感器

遥感技术多应用于5～10μm的红外波段，现有的基于MOS器件的图像传感器和CCD图像传感器均无法直接工作于这一波段，因此，需要研究专门的红外图像传感技术及器件来实现红外波段的图像探测与采集。目前，红外CCD图像传感器有集成（单片）式和混合式两种。

（1）集成红外图像传感器

集成红外CCD固态图像传感器是在一块衬底上，同时集成光敏元件和电荷转移部件而构成的，整个片体要进行冷却。目前使用的红外CCD传感器多为混合式的。除了光敏部件，单片红外CCD图像传感器的电荷转移部件同样需要在低温状态工作，这实现起来有一定困难，目前尚未实用。

（2）混合式红外图像传感器

混合式红外CCD图像传感器的感光单元与电荷转移部件相分离，工作时，红外光敏单元处于冷却状态，而Si-CCD的电荷转移部件工作于室温条件。这克服了单片式固态红外传感器的难点，但光敏单元与电荷转移部件的连线过长将带来其他困难。目前，正在研制光敏单元与电荷转移部件比较靠近的固态红外光电图像传感器。此外，提高光敏单元的红外光图像分辨率将提高芯片的集成度，这又会导致光敏单元与电荷转移部件的连线加长，这也是红外CCD器件发展中亟待解决的一个问题。

超导图像传感器

超导传感器包括超导红外传感器、超导可见光传感器、超导微波传感器、超导磁场传感器等。超导传感器的最大特点是噪声很小，其噪声电平小到接近量子效应的极限，因此，超导传感器具有极高的灵敏度。

超导图像传感器隧道结叠层断面如图4所示。这个结由氮化银膜基底电极，NbN自然氧化膜（隧道绝缘膜）和对置铅膜电极构成。隧道结布设在9 mm×6 mm的硅衬底上，形成由9个结构成的线阵SIS器件，然后再将它们装入低温恒温器中冷却至4.2 K左右。

使用时，还要配以准光学结构组成的测量系统。来自电磁喇曼的被测波图像，通常用光学透镜聚光，然后在传感器上成像。因此，在水平和垂直方向上微动传感器总是能够探测空间的图像。这种测量系统适用于毫米波段。利用线阵隧道结器件的图像传感器可以测量35GHz空间电场强度分布，这种传感器已应用于生物断层检测，也可用于乳腺癌的非接触探测等。

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