超越人類的“電子眼”——視覺(jué)傳感器

小河HH

超越人類的“電子眼”

如今，越來(lái)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?yàn)�，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(diǎn)，最近幾年在寬動(dòng)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(wú)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(wú)人機(jī)、機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（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(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），成為神奇的車輛視覺(jué)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(chǎng)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(jì)，尺寸更小，像素更高

如果說(shuō)CMOS圖像傳感器主要捕捉人類視覺(jué)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(jué)范圍，幫助人類看到平時(shí)無(wú)法看到的景象！紅外線是波長(zhǎng)比可見光要長(zhǎng)的電磁波，具有明顯的熱效應(yīng)，使人能感覺(jué)到卻看不見。自然界的任何物體都是紅外線輻射源，并時(shí)時(shí)刻刻向外界輻射紅外光。

各種電磁波按照波長(zhǎng)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(guó)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(cè)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(jià)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(zhǎng)波紅外（LWIR）技術(shù)的夜視攝像頭已配置在高檔汽車來(lái)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(jué)無(wú)法全天候無(wú)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(guò)人體發(fā)出的紅外輻射，測(cè)量人體體溫，通過(guò)體溫的監(jiān)測(cè)，來(lái)及時(shí)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(jià)格侵蝕將使得許多新應(yīng)用成為可能，如智能手機(jī)、個(gè)人視覺(jué)系統(tǒng)（PVS）、智能樓宇、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和機(jī)器人等，而且這部分市場(chǎng)有望帶來(lái)紅外成像傳感器爆發(fā)性的市場(chǎng)增長(zhǎng)。

“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(chǎng)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(duì)。將電子-空穴對(duì)分離，并經(jīng)MOSFET放大器將信號(hào)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(cè)原理可分為紅外光子探測(cè)器和紅外熱探測(cè)器。

紅外成像傳感器的分類

（1）紅外光子探測(cè)器：利用材料和電子間的相互作用，吸收被測(cè)物體表面發(fā)出的紅外輻射。通過(guò)吸收電子產(chǎn)生的電能分布變化，輸出紅外探測(cè)信號(hào)。紅外光子探測(cè)器每個(gè)單元對(duì)入射輻射能量的吸收具有波長(zhǎng)選擇性。紅外光子探測(cè)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(cè)器的缺點(diǎn)是需要對(duì)其進(jìn)行低溫冷卻。而冷卻要求，是基于半導(dǎo)體光子探測(cè)器的紅外系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用的主要障礙。因?yàn)檫@使得光子探測(cè)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(cè)器取代。

（2）紅外熱探測(cè)器主要分為熱釋電、熱電堆和微測(cè)輻射熱計(jì)。

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(hào)會(huì)減弱，需要對(duì)其進(jìn)行周期性的刷新。熱釋電探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)。它們憑借防盜系統(tǒng)和自動(dòng)照明開關(guān)等應(yīng)用，在消費(fèi)類市場(chǎng)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(duì)熱電偶、當(dāng)相連的一端受熱溫度增加時(shí)，會(huì)在材料的兩端形成溫度差，會(huì)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(duì)熱電偶串聯(lián)時(shí)就形成熱電堆，傳感器通過(guò)對(duì)輸出信號(hào)的處理就可以探測(cè)出最初的紅外光源的強(qiáng)度和波長(zhǎng)大小等特性。

塞貝克效應(yīng)

C．微測(cè)輻射熱計(jì)：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(shí)，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(hào)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(cè)輻射熱計(jì)，其性能最好。

微測(cè)輻射熱計(jì)剖面示意圖和頂部平面示意圖

面壁深功

看來(lái)CCD要變成VCD的命運(yùn)了

mis0827

高技術(shù)��！

陳松不滅之火

看不懂，但感覺(jué)很厲害的樣子。