圖像感測技術

圖像感測技術是在光電技術基礎上發展起來的，利用光電器件的光—電轉化功能，將其感光面上的光信號轉換為與光信號成對應比例關係的電信號“圖像”的一門技術，該技術將光學圖像轉換成一維時序信號，其關鍵器件是圖像感測器。

現有的圖像探測系統包括固態光圖像感測系統、紅外光成像系統、超聲成像系統、微波影像系統等，已廣泛套用於視頻、測量、監控、醫療、人工智慧等領域。

基本介紹

• 中文名：圖像感測技術
• 外文名：Image sensing technology
• 套用學科：計算機

固態圖像感測器

固態圖像感測器是利用光敏元件的光電轉換功能將投射到光敏單元上的光學圖像轉換成電信號“圖像”，即將光強的空間分布轉換為與光強成比例的電荷包空間分布，然後利用移位暫存器功能將這些電荷包在時鐘脈衝控制實現讀取與輸出，形成一系列幅值不等的時鐘脈衝序列，完成光圖像的電轉換。

1.1 固態圖像感測器的特點

固態圖像感測器是在同一半導體襯底上布設光敏元件陣列和電荷轉移器件而構成的集成化、功能化的光電器件，其核心是電荷轉移器件（Charge Transfer Device，CTD），包括電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）、電荷注入器件（Charge Injected Device，CID）、金屬氧化物半導體器件等，最常用的是CCD。自1970年問世以後，CCD圖像感測器以它的低噪聲、易集成等特點，已廣泛套用於微光電視攝像、信息存儲和信息處理等眾多領域。

圖1給出了光導攝像管與固態圖像感測器的基本結構，其中（a）為光導攝像管，（b）為固態圖像感測器。

圖1 攝像管與固態圖像感測器結構

與光導攝像管相比，固態圖像感測器再生圖像失真度極小，因此，非常適合測試技術及圖像識別技術。此外，固態圖像感測器還具有體積小、重量輕、堅固耐用、抗衝擊、抗振動、抗電磁干擾能力強以及耗電少等許多優點。又因為固態圖像感測器所用的敏感元件易於批量生產，所以固態圖像感測器的成本較低。

固態圖像感測器也有不足之處，例如解析度和圖像質量都不如光導攝像管。此外，固態圖像感測器的光譜回響通常只能限定在0.4～1.2μm（可見光與近紅外光）範圍內，套用有一定的局限性。

1.2 固態圖像感測器分類

固態圖像感測器一般都包括光敏單元和電荷暫存器兩個主要部分。根據光敏元件排列形式不同，固態圖像感測器可分為線形和面型兩種。根據所用的敏感器件不同，又可分為CCD、MOS線型感測器以及CCD、CID、MOS陣列式面型感測器等。

1.2.1線型圖像感測器

線型固態感測器有4種類型，分別為：

l MOS式，以光電二極體構成，如圖2（a）所示；

l 光積蓄式，採用CCD元件構成，如圖2（b）所示；

l 分離式，即光敏單元與電荷暫存器分離，採用CCD元件構成，如圖2（c）所示；

l 光敏單元兩側放置電荷暫存器的雙讀出式，採用CCD元件，如圖2（d）所示。

其中，雙讀出式器件是線型固態圖像感測器的主要形式。

圖2 固態線型圖像感測器

1.2.2面型圖像感測器

固態面型圖像感測器主要有4種類型：

l X-Y選址式，由MOS或CID器件構成，如圖3（a）所示；

l 行選址式，由CCD器件構成，如圖3（b）所示；

l 幀場傳輸式，由CCD器件構成，如圖3（c）所示；

l 行間傳輸式，由CCD器件構成，如圖3（d）所示。

上述面型圖像感測器中，基於MOS元件的X-Y選址式感測器最早出現。因圖像質量不佳，MOS型感測器正在被CID型X-Y選址式圖像感測器取代。幀場傳輸式和行間傳輸式是比較實用的面型圖像感測器。

圖3 固態面型圖像感測器

目前，面型CCD圖像感測器使用得越來越多，產品的單元數也越來越多。無論面型或是線型，CCD圖像感測器都是當今圖像探測技術的主流。

紅外圖像感測器

遙感技術多套用於5～10μm的紅外波段，現有的基於MOS器件的圖像感測器和CCD圖像感測器均無法直接工作於這一波段，因此，需要研究專門的紅外圖像感測技術及器件來實現紅外波段的圖像探測與採集。目前，紅外CCD圖像感測器有集成（單片）式和混合式兩種。

（1）集成紅外圖像感測器

集成紅外CCD固態圖像感測器是在一塊襯底上，同時集成光敏元件和電荷轉移部件而構成的，整個片體要進行冷卻。目前使用的紅外CCD感測器多為混合式的。除了光敏部件，單片紅外CCD圖像感測器的電荷轉移部件同樣需要在低溫狀態工作，這實現起來有一定困難，目前尚未實用。

（2）混合式紅外圖像感測器

混合式紅外CCD圖像感測器的感光單元與電荷轉移部件相分離，工作時，紅外光敏單元處於冷卻狀態，而Si-CCD的電荷轉移部件工作於室溫條件。這克服了單片式固態紅外感測器的難點，但光敏單元與電荷轉移部件的連線過長將帶來其他困難。目前，正在研製光敏單元與電荷轉移部件比較靠近的固態紅外光電圖像感測器。此外，提高光敏單元的紅外光圖像解析度將提高晶片的集成度，這又會導致光敏單元與電荷轉移部件的連線加長，這也是紅外CCD器件發展中亟待解決的一個問題。

超導圖像感測器

超導感測器包括超導紅外感測器、超導可見光感測器、超導微波感測器、超導磁場感測器等。超導感測器的最大特點是噪聲很小，其噪聲電平小到接近量子效應的極限，因此，超導感測器具有極高的靈敏度。

超導圖像感測器隧道結疊層斷面如圖4所示。這個結由氮化銀膜基底電極，NbN自然氧化膜（隧道絕緣膜）和對置鉛膜電極構成。隧道結布設在9 mm×6 mm的矽襯底上，形成由9個結構成的線陣SIS器件，然後再將它們裝入低溫恆溫器中冷卻至4.2 K左右。

使用時，還要配以準光學結構組成的測量系統。來自電磁喇曼的被測波圖像，通常用光學透鏡聚光，然後在感測器上成像。因此，在水平和垂直方向上微動感測器總是能夠探測空間的圖像。這種測量系統適用於毫米波段。利用線陣隧道結器件的圖像感測器可以測量35GHz空間電場強度分布，這種感測器已套用於生物斷層檢測，也可用於乳腺癌的非接觸探測等。

圖4 超導感測器隧道結結構