圖像傳感器

圖像傳感器或成像儀是一種傳感器，可檢測和傳達用於形成圖像的信息。這樣做是通過將光波的可變衰減轉換為信號的可變衰減，即傳達信息的一小部分電流。波可以是輕度或其他電磁輻射。圖像傳感器用於模擬和數字類型的電子成像設備，包括數字攝像機，相機模塊，相機電話，光學鼠標設備，醫療成像設備，夜視設備，例如熱成像設備，雷達，聲納等。隨著技術的變化，電子成像傾向於取代化學和模擬成像。

電子圖像傳感器的兩種主要類型是電荷耦合器件（CCD）和活動像素傳感器（ CMOS傳感器）。 CCD和CMOS傳感器均基於金屬 - 氧化物 - 溶劑導體（MOS）技術，CCD基於MOS電容器和基於MOSFET （MOS FIELD效應晶體管）放大器的MOS電容器和CMOS傳感器。無形輻射的模擬傳感器傾向於涉及各種真空管，而數字傳感器包括平板探測器。

CCD與CMOS傳感器

數字圖像傳感器的兩種主要類型是電荷耦合器件（CCD）和活性像素傳感器（CMOS傳感器），該傳感器（CMOS傳感器）在互補的MOS （CMOS）或N型MOS（ NMOS或LIVE MOS ）技術中製造。 CCD和CMOS傳感器均基於MOS技術， MOS電容器是CCD的構件， MOSFET放大器是CMOS傳感器的構建塊。

集成在小型消費產品中的相機通常使用CMOS傳感器，這些傳感器通常比CCDS便宜，電池供電設備的功耗較低。 CCD傳感器用於高端廣播質量攝像機，CMOS傳感器在靜態攝影和消費品中占主導地位，而整體成本是主要問題。兩種類型的傳感器都完成了捕獲光並將其轉換為電信號的相同任務。

CCD圖像傳感器的每個單元格是一個模擬設備。當光撞擊芯片時，它將在每個照片傳感器中作為小電荷保持。放大並輸出最接近（一個或多個）輸出放大器的像素線中的電荷，然後每個像素線將其電荷移動一條線更靠近放大器，從而填充了最接近放大器的空線。然後重複此過程，直到所有像素線都會放大並輸出。

與CCD的少數放大器相比，CMOS圖像傳感器具有每個像素的放大器。與CCD相比，這導致捕獲光子的捕獲面積較少，但是通過在每個光電二極管前使用微透鏡來克服此問題，這些光電二極管將光聚焦到光電二極管中，否則該光電二極管本來可以擊中放大器而未檢測到的光電二極管。一些CMOS成像傳感器還使用後側照明來增加擊中光電二極管的光子數量。與CCD傳感器相比，CMOS傳感器可以使用更少的組件，更少的功率和/或提供更快的讀數來實現。它們也不太容易受到靜電排放的影響。

另一種設計是混合CCD/CMOS體系結構（以“ SCMO ”的名稱出售）由CMOS讀數集成電路（ROIC）組成，這些電路（ROIC）與CCD成像基板碰撞 - 這項用於紅外凝視陣列的技術，並已改編了基於矽的檢測器技術。另一種方法是利用現代CMO技術中可用的非常細的維度來實現CCD類似CMOS技術的結構：可以通過將單個Poly-Silicon大門分開以很小的間隙來實現此類結構；儘管仍然是研究混合傳感器的產物，可以潛在地利用CCD和CMOS成像器的好處。

表現

有許多參數可用於評估圖像傳感器的性能，包括動態範圍，信噪比和低光靈敏度。對於類型類型的傳感器，信噪比和動態範圍會隨著尺寸的增加而提高。這是因為在給定的集成（曝光）時間中，更多的光子擊中了更大的面積的像素。

暴露時間控制

圖像傳感器的曝光時間通常由傳統的機械快門，如膠片攝像機或電子快門控制。電子快門可以是“全局”，在這種情況下，整個圖像傳感器區域的光電子的積累同時啟動和停止，或者“滾動”，在這種情況下，每行的曝光間隔都立即在該行讀數之前，在“滾動”的過程中在整個圖像框架上（通常以景觀格式從上到下）。全局電子快門不太常見，因為它需要“存儲”電路從曝光間隔結束時保持充電，直到讀數過程到達那里為止，通常是幾毫秒之後。

顏色分離

顏色圖像傳感器有幾種主要類型，與顏色分離機制的類型不同：

積分顏色傳感器使用單個單色CCD或CMOS圖像傳感器頂部製造的顏色濾清器陣列。拜耳圖案最常見的顏色濾清器陣列圖案使用了每個紅色和藍色像素的兩個綠色像素的棋盤安排，儘管已經開發了許多其他彩色過濾器圖案，包括使用青色，洋紅色，黃色和白色像素的圖案。整體顏色傳感器最初是通過將有色染料通過光孔窗口轉移到單色CCD傳感器頂部塗層的聚合物接收層中生產的。由於每個像素僅提供單個顏色（例如綠色），因此使用相鄰的像素來插值“缺失”顏色值（例如紅色和藍色）。該處理也稱為Demosaicing或de-bayering。
Foveon X3傳感器使用一系列分層像素傳感器，通過固有的波長依賴性吸收特性將光分離，從而使每個位置都感受到所有三個彩色通道。此方法類似於攝影的顏色膠片的工作方式。
3CCD ，使用三個離散圖像傳感器，由二分色棱鏡進行顏色分離。二分色元素提供了更清晰的顏色分離，從而提高了顏色質量。由於每個傳感器在其通帶內同樣敏感，並且在完整分辨率下，3-CCD傳感器會產生更好的顏色質量和更好的低光性能。 3-CCD傳感器產生完整的4：4：4信號，這在電視廣播，視頻編輯和Chroma關鍵視覺效果中首選。

專業傳感器

特殊傳感器用於各種應用，例如熱量表，多光譜圖像的創建，視頻喉鏡，伽馬攝像機，用於X射線的傳感器陣列以及其他高度敏感的天文學陣列。

通常，數碼相機使用扁平傳感器，索尼在2014年對彎曲傳感器進行了原型，以減少/消除使用扁平傳感器發生的PETZVAL場曲率。使用彎曲傳感器可以使鏡頭的直徑較短且較小的鏡頭，其元素和組件較小，並且孔徑更大，並且在照片邊緣的光線降低了。

歷史

可見光的早期模擬傳感器是攝像機管。他們可以追溯到1930年代，直到1980年代才開發了幾種類型。到1990年代初期，它們已被現代固態CCD圖像傳感器所取代。

現代固態圖像傳感器的基礎是MOS技術，該技術源自1959年貝爾實驗室的Mohamed M. Atalla和Dawon Kahng的MOSFET發明。後來對MOS技術的研究導致了固態半導體圖像的發展傳感器，包括電荷耦合器件（CCD）和後來的有源像素傳感器（ CMOS傳感器）。

被動像素傳感器（PPS）是活動像素傳感器（APS）的前體。 PPS由無源像素組成，這些像素在沒有放大的情況下讀出，每個像素由光電二極管和MOSFET開關組成。它是一種光電二極管陣列，其像素包含PN連接，集成電容器和MOSFET作為選擇晶體管。 G. Weckler在1968年提出了一個光電二極管陣列。這是PPS的基礎。這些早期的光電二極管陣列是複雜且不切實際的，需要在每個像素內製造選擇晶體管以及片上多路復用器電路。光電二極管陣列的噪聲也是性能的限制，因為光電二極管讀數總線電容導致噪聲水平升高。相關的雙重採樣（CD）也不能與沒有外部內存的光電二極管陣列一起使用。但是，在1914年，副領事卡爾·R·盧普（Carl R. Loop）在國務院報告了阿奇博爾德·M·勞（Archibald M.

2022年6月，三星電子宣布，它創建了一個2億像素圖像傳感器。 200MP Isocell HP3具有0.56微米像素，三星報告說，以前的傳感器具有0.64微米像素，自2019年以來降低了12％。新的傳感器在1 by-1.4英寸（25 x 36 mm）鏡頭中含有2億像素。

電荷耦合器件

電荷耦合設備（CCD）是由Willard S. Boyle和George E. Smith在1969年在Bell Labs發明的。在研究MOS技術時，他們意識到電荷是磁性氣泡的類比，並且可以存儲。在微小的MOS電容器上。由於連續製造一系列MOS電容器非常簡單，因此他們將合適的電壓連接到了它們，以便可以將電荷從一個到另一個電荷進行。 CCD是一個半導體電路，後來在電視廣播的第一個數碼攝像機中使用。

早期的CCD傳感器患有快門滯後。這在很大程度上是通過固定光電二極管（PPD）的發明來解決的。它是由1980年NEC的Nobukazu Teranishi ，Hiromitsu Shiraki和Yasuo Ishihara發明的。它是一種光電探測器結構，具有低滯後，低噪聲，低噪聲，高量子效率和低黑暗電流。 1987年，PPD開始被合併到大多數CCD設備中，成為消費者電子攝像機的固定裝置，然後成為數碼靜止攝像機。從那時起，PPD幾乎用於所有CCD傳感器，然後在CMOS傳感器中使用。

活性像素傳感器

NMOS 活性像素傳感器（APS）是1980年代中期的Olympus發明的。 MOS半導體設備製造的進步可以實現這一目標， MOSFET縮放量表達到較小的微米，然後是亞微米水平。 1985年，Tsutomu Nakamura在奧林巴斯的團隊製造了第一個NMO APS。1993年， NASA 噴氣推進實驗室的一組科學家在1993年改善了CMOS Active像素傳感器（CMOS傳感器）。超過CCD傳感器。到2010年代，在所有新應用程序中，CMOS傳感器在很大程度上取代了CCD傳感器。

其他圖像傳感器

第一台商用數碼相機，1975年的Cromemco獨眼巨人，使用了32×32 MOS圖像傳感器。這是一個修改的動態RAM （ DRAM ）內存芯片。

MOS圖像傳感器廣泛用於光學鼠標技術。 1980年在Xerox的Richard F. Lyon發明的第一隻光學鼠標使用了5 µM NMOS 集成電路傳感器芯片。自1999年引入的IntelliMouse以來，大多數光學鼠標設備都使用CMOS傳感器。

2018年2月，達特茅斯學院的研究人員宣布了一種新的圖像傳感技術，研究人員稱為QIS，用於Quanta圖像傳感器。 QIS芯片不是像素，而是研究人員所說的“ JOTS”。每個JOT都可以檢測一個稱為光子的光的粒子。