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(chǎn)品采用基于CMOS技術(shù)的圖像傳感器作為“眼睛”。因為，與傳統(tǒng)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(yōu)點，最近幾年在寬動態(tài),、低照度方面發(fā)展迅速,。CMOS圖像傳感器最先走進(jìn)人類生活，是從數(shù)碼相機(jī)在家居生活中的普及開始,。隨著信息技術(shù),、半導(dǎo)體制造技術(shù)的迅速發(fā)展，CMOS圖像傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大,，幾乎成了無處不在的“電子眼”,。

CMOS圖像傳感器已成為數(shù)碼相機(jī)和智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)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(jī),。一些新興的消費(fèi)電子類應(yīng)用,，如無人機(jī)、機(jī)器人,、虛擬現(xiàn)實（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）等,，也離不開CMOS圖像傳感器這只“慧眼”。在汽車電子領(lǐng)域,，CMOS圖像傳感器應(yīng)用在高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）,，成為神奇的車輛視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵信息采集“眼”。除此之外,，在生產(chǎn),、安防、醫(yī)療和工業(yè)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(yīng)用領(lǐng)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(shè)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(nèi)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(yīng),，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(yīng)用于國防、汽車,、安防,、工業(yè),、醫(yī)療等領(lǐng)域。紅外熱成像技術(shù)最早就是被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,，其強(qiáng)大的遠(yuǎn)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(dǎo)彈制導(dǎo)、輕武器瞄準(zhǔn),、快速搜索,、火控、機(jī)載,、艦載,、單兵夜視系統(tǒng)等。隨著紅外熱成像技術(shù)的深入研究,，供應(yīng)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(lǐng)域。在汽車電子領(lǐng)域,，長波紅外（LWIR）技術(shù)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(lǐng)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(jiān)控及惡劣天氣下的大范圍遠(yuǎn)距離監(jiān)控的局限性,，因此可以發(fā)現(xiàn)隱蔽物體及人體,，可用于邊防監(jiān)控,、城市監(jiān)控,、港口碼頭監(jiān)控等。在工業(yè)領(lǐng)域,，紅外成像傳感器可感知機(jī)器及材料的溫度變化,，抓住異常信息，為人類提供預(yù)防性維護(hù)提醒,。在醫(yī)療領(lǐng)域,，紅外成像傳感器通過人體發(fā)出的紅外輻射，測量人體體溫,，通過體溫的監(jiān)測,，來及時發(fā)現(xiàn)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(yīng)用成為可能,，如智能手機(jī),、個人視覺系統(tǒng)（PVS）、智能樓宇,、增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）和機(jī)器人等,，而且這部分市場有望帶來紅外成像傳感器爆發(fā)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(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝制作,，主要結(jié)構(gòu)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(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Si MOSFET）。

光源經(jīng)由彩色濾光片照射光電二極管,，光電二極管體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對,。將電子-空穴對分離，并經(jīng)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(jié)構(gòu)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(fā)出的紅外輻射。通過吸收電子產(chǎn)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(yīng)性能,。但是,，紅外光子探測器的缺點是需要對其進(jìn)行低溫冷卻。而冷卻要求,，是基于半導(dǎo)體光子探測器的紅外系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用的主要障礙,。因為這使得光子探測器紅外系統(tǒng)變得龐大、笨重,、昂貴,，而且使用不便，因此在民用領(lǐng)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(yīng)是指極化強(qiáng)度隨溫度改變而表現(xiàn)出的電荷釋放現(xiàn)象,，宏觀上是溫度的改變是在材料的兩端出現(xiàn)電壓或產(chǎn)生電流,。但是，熱釋電材料在持續(xù)的紅外輻射下,，其輸出的靜態(tài)電壓信號會減弱,，需要對其進(jìn)行周期性的刷新。熱釋電探測器可以實現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn),。它們憑借防盜系統(tǒng)和自動照明開關(guān)等應(yīng)用,，在消費(fèi)類市場逐漸找到了切入口,。

熱釋電效應(yīng)形成原理

B．紅外熱電堆傳感器：根據(jù)塞貝克效應(yīng)，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(dāng)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(huán)電路中產(chǎn)生電流。當(dāng)很多對熱電偶串聯(lián)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(qiáng)度和波長大小等特性,。

塞貝克效應(yīng)

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(biāo)物體發(fā)出的紅外熱輻,，在引起熱敏材料發(fā)生溫度變化時,，熱敏材料的電阻也將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生相應(yīng)的電學(xué)信號輸出,，然后還原圖像信息,。金屬溫度升高，電阻增加,；半導(dǎo)體溫度升高,，電阻減小。目前,，采用氧化釩半導(dǎo)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(yùn)了

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高技術(shù)�,。�

陳松不滅之火

看不懂,，但感覺很厲害的樣子,。