超越人類的“電子眼”——視覺傳感器

小河HH

超越人類的“電子眼”

如今，越來越多的電子產品采用基于CMOS技術的圖像傳感器作為“眼睛”。因為，與傳統的電荷耦合元件（CCD）相比，CMOS圖像傳感器具有集成度高、功耗小、速度快、成本低、體積小等優點，最近幾年在寬動態、低照度方面發展迅速。CMOS圖像傳感器最先走進人類生活，是從數碼相機在家居生活中的普及開始。隨著信息技術、半導體制造技術的迅速發展，CMOS圖像傳感器的應用領域逐漸擴大，幾乎成了無處不在的“電子眼”。

CMOS圖像傳感器已成為數碼相機和智能手機的標準配置，蘋果公司新推出的iPhone 7 Plus更是配有雙后置攝像頭的智能手機。一些新興的消費電子類應用，如無人機、機器人、虛擬現實（VR）和增強現實（AR）等，也離不開CMOS圖像傳感器這只“慧眼”。在汽車電子領域，CMOS圖像傳感器應用在高級駕駛輔助系統（ADAS），成為神奇的車輛視覺系統的關鍵信息采集“眼”。除此之外，在生產、安防、醫療和工業等市場中，CMOS圖像傳感器也擁有一席之地。

CMOS圖像傳感器的各種應用領域

索尼第五代CMOS圖像傳感器Exmor R演化至第六代CMOS圖像傳感器Exmor RS，采用“堆棧式”設計，尺寸更小，像素更高

如果說CMOS圖像傳感器主要捕捉人類視覺范圍內的景象，那么紅外成像傳感器則大大超越人類的視覺范圍，幫助人類看到平時無法看到的景象！紅外線是波長比可見光要長的電磁波，具有明顯的熱效應，使人能感覺到卻看不見。自然界的任何物體都是紅外線輻射源，并時時刻刻向外界輻射紅外光。

各種電磁波按照波長分布的示意圖

紅外成像傳感器因具有“見所未見”的“特異”功能，主要應用于國防、汽車、安防、工業、醫療等領域。紅外熱成像技術最早就是被應用于軍事領域，其強大的遠距離探測能力、煙霧穿透的能力、夜間成像能力以及隱蔽觀察的特性，非常適合軍事偵察、導彈制導、輕武器瞄準、快速搜索、火控、機載、艦載、單兵夜視系統等。隨著紅外熱成像技術的深入研究，供應商的增多和價格的下降，紅外成像傳感器才逐漸走入民用領域。在汽車電子領域，長波紅外（LWIR）技術的夜視攝像頭已配置在高檔汽車來提高駕駛員夜間行車的安全性。在安防領域，紅外成像傳感器可以克服人類視覺無法全天候無死角監控及惡劣天氣下的大范圍遠距離監控的局限性，因此可以發現隱蔽物體及人體，可用于邊防監控、城市監控、港口碼頭監控等。在工業領域，紅外成像傳感器可感知機器及材料的溫度變化，抓住異常信息，為人類提供預防性維護提醒。在醫療領域，紅外成像傳感器通過人體發出的紅外輻射，測量人體體溫，通過體溫的監測，來及時發現患有傳染性疾病的人群。相信隨著紅外成像傳感器和熱成像儀的價格侵蝕將使得許多新應用成為可能，如智能手機、個人視覺系統（PVS）、智能樓宇、增強現實（AR）和機器人等，而且這部分市場有望帶來紅外成像傳感器爆發性的市場增長。

“電子眼”是如何工作的？

CMOS圖像傳感器工作原理

CMOS圖像傳感器采用標準的CMOS工藝制作，主要結構包含：微透鏡（Microlens）、彩色濾光器（Color filer）、金屬連線（Color filer）、光電二極管（Photodiode）、硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（Si MOSFET）。

光源經由彩色濾光片照射光電二極管，光電二極管體內產生電子-空穴對。將電子-空穴對分離，并經MOSFET放大器將信號送至資料線。最后由處理電路處理后，輸出影像。

CMOS圖像傳感器結構示意圖

紅外成像傳感器工作原理

紅外成像傳感器主要分為兩類——按感測原理可分為紅外光子探測器和紅外熱探測器。

紅外成像傳感器的分類

（1）紅外光子探測器：利用材料和電子間的相互作用，吸收被測物體表面發出的紅外輻射。通過吸收電子產生的電能分布變化，輸出紅外探測信號。紅外光子探測器每個單元對入射輻射能量的吸收具有波長選擇性。紅外光子探測器具有完美的信噪比和快速響應性能。但是，紅外光子探測器的缺點是需要對其進行低溫冷卻。而冷卻要求，是基于半導體光子探測器的紅外系統獲得廣泛應用的主要障礙。因為這使得光子探測器紅外系統變得龐大、笨重、昂貴，而且使用不便，因此在民用領域逐漸被紅外熱探測器取代。

（2）紅外熱探測器主要分為熱釋電、熱電堆和微測輻射熱計。

A．紅外熱釋電傳感器：熱釋電效應是指極化強度隨溫度改變而表現出的電荷釋放現象，宏觀上是溫度的改變是在材料的兩端出現電壓或產生電流。但是，熱釋電材料在持續的紅外輻射下，其輸出的靜態電壓信號會減弱，需要對其進行周期性的刷新。熱釋電探測器可以實現大規模批量生產。它們憑借防盜系統和自動照明開關等應用，在消費類市場逐漸找到了切入口。

熱釋電效應形成原理

B．紅外熱電堆傳感器：根據塞貝克效應，在兩種不同材料的一端相連，另一端不相連，形成一對熱電偶、當相連的一端受熱溫度增加時，會在材料的兩端形成溫度差，會在這兩種材料組成的閉環電路中產生電流。當很多對熱電偶串聯時就形成熱電堆，傳感器通過對輸出信號的處理就可以探測出最初的紅外光源的強度和波長大小等特性。

塞貝克效應

C．微測輻射熱計：一種電阻型熱傳感器。工作原理是吸收目標物體發出的紅外熱輻，在引起熱敏材料發生溫度變化時，熱敏材料的電阻也將發生變化，從而產生相應的電學信號輸出，然后還原圖像信息。金屬溫度升高，電阻增加；半導體溫度升高，電阻減小。目前，采用氧化釩半導體作為敏感材料制作的微測輻射熱計，其性能最好。

微測輻射熱計剖面示意圖和頂部平面示意圖

面壁深功

看來CCD要變成VCD的命運了

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高技術啊！

陳松不滅之火

看不懂，但感覺很厲害的樣子。