本文介紹了攝像頭及紅外成像的基本工作原理，攝像頭可以將看到的圖像真實(shí)的呈現(xiàn)出來，所見即所得！

攝像頭如何工作？

攝像頭可以將看到的圖像真實(shí)的呈現(xiàn)出來，所見即所得。

比如人眼看到的一座山的風(fēng)景，是這樣：

手機(jī)攝像頭設(shè)計(jì)后的外觀是這樣：

紅外攝像頭設(shè)計(jì)后的外觀是這樣：

如何將外界的圖像真實(shí)地呈現(xiàn)在芯片上？

對(duì)于芯片來說，外界圖像可以按不同區(qū)域進(jìn)行拆解，圖像按區(qū)域拆解后是這樣：

拆解后的圖片對(duì)芯片來講，是下面這樣：

感光芯片的設(shè)計(jì)思想就是分割被描述的區(qū)域，用相應(yīng)的灰度來填充。

如果將圖像拆解的方格（像元）足夠小，就足夠顯示每一個(gè)圖片的細(xì)節(jié)。這就是為什么手機(jī)像素要向2000W，3000W甚至更高像素發(fā)展的原因。

芯片雖然接收到了光信號(hào)，要將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成屏幕上的圖像，背后有一些運(yùn)算邏輯，大致過程是這樣：

一張典型的光學(xué)芯片，在顯微鏡下觀察到的局部是下面這樣的，左下角暗紅色區(qū)域是接收光信號(hào)的成像區(qū)域，周圍黃色鍍金區(qū)域是電路連線，線路將光信號(hào)輸出到外部電路中。

可以將芯片的成像區(qū)域比喻成一個(gè)個(gè)小桶，用來接收外部的光信號(hào)。

1.有一個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置把入射到每一個(gè)感光像素上的光子轉(zhuǎn)化為相應(yīng)數(shù)量的電荷。（小桶是像元，雨水是光信號(hào)。）

2.隨著芯片接收外部的光電子，這些電荷可以被儲(chǔ)存起來。

3.電荷可以被有秩序地轉(zhuǎn)移出感光區(qū)域。

光電轉(zhuǎn)化的原理

攝像頭單元部分，是一個(gè)由金屬-氧化物-半導(dǎo)體組成的電容器。

這一裝置能夠完成光電轉(zhuǎn)換。在P型單晶硅的襯底上做一層絕緣氧化膜，通過活化置換技術(shù)再在氧化膜表面做出許多排列整齊的可透光的電極，當(dāng)光線通過時(shí)，氧化膜與P型單晶硅之間產(chǎn)生電荷，其電荷的數(shù)量與光照強(qiáng)度及照射時(shí)間成正比。

若在電極上施加一個(gè)適當(dāng)?shù)恼妷?，?huì)形成電荷耗盡區(qū)，即能夠吸引電子的勢(shì)阱。

電極上所加的電壓越高，勢(shì)阱越深，電荷留在阱內(nèi)量越多。只要電壓存在，電子就能儲(chǔ)存在勢(shì)阱里。

當(dāng)景物的光照射到攝像頭時(shí)，具有光敏特性的P型硅在光量子的激發(fā)下產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，空穴移向襯底而消失，電子進(jìn)入勢(shì)阱并存儲(chǔ)在那里。

由于絕緣氧化物層使得電子不能穿過而到達(dá)電極，因此存貯在勢(shì)阱里的電子形成了電荷包，其電荷量的多少與光照強(qiáng)度成正比，于是所有電極下的電荷包就組成了與景物相對(duì)應(yīng)的電荷像。

這一過程存在著以下問題：

當(dāng)一個(gè)像素聚集過多的電荷后，就會(huì)出現(xiàn)電荷溢出，溢出的電荷會(huì)跑到相鄰的像素勢(shì)阱里去。這樣電荷的電量就不能如實(shí)反映原物。

要避免這種情況發(fā)生的方法：

（1）把桶做大些；

（2）減少測(cè)量時(shí)間；

（3）把裝滿水的桶倒出一些；

（4）做個(gè)導(dǎo)流管，讓溢出的水流到地上去，不要流到其它桶里。

對(duì)應(yīng)的方法：

（1）增大單位像素尺寸；

（2）縮短曝光時(shí)間；（缺點(diǎn)：對(duì)于暗的部分曝光不足。）

（3）間歇開關(guān)時(shí)鐘電壓；缺點(diǎn)：會(huì)降低速度

（4）溢出溝道和溢出門；（缺點(diǎn)：制作復(fù)雜，且還有缺陷）

所以，增大像素尺寸是最完善的做法。

電荷轉(zhuǎn)移

當(dāng)一個(gè)攝像頭芯片感光完畢后。每個(gè)像素所轉(zhuǎn)換的電荷包，就按照一行的方向轉(zhuǎn)移出攝像頭感光區(qū)域。為下一次感光釋放空間。

在同一個(gè)像素區(qū)域，應(yīng)該有電荷儲(chǔ)存空間和用來轉(zhuǎn)移的空間。這樣才能順利完成轉(zhuǎn)移。

勢(shì)阱的深淺由電極上所加電壓的大小決定。電荷在勢(shì)阱內(nèi)可以流動(dòng)，它總是從相鄰淺阱里流進(jìn)深阱中，這種電荷流動(dòng)稱為電荷轉(zhuǎn)移。若有規(guī)律改變電極電壓，則勢(shì)阱的深度就會(huì)隨之變化，勢(shì)阱內(nèi)電荷就可以按人為確定的方向轉(zhuǎn)移，直到最終由輸出端輸出。

電荷轉(zhuǎn)移分單相驅(qū)動(dòng)、雙相驅(qū)動(dòng)、三相驅(qū)動(dòng)及四相驅(qū)動(dòng)等多種方式，除了電極構(gòu)造及所加電壓波形不同以外，其轉(zhuǎn)移原理是一樣的。

四相驅(qū)動(dòng)方式的驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜，但相鄰勢(shì)阱的深度差較大，電荷的存貯量也大，容易實(shí)現(xiàn)隔行掃描，在專業(yè)級(jí)攝像機(jī)中應(yīng)用較為廣泛。

四相驅(qū)動(dòng)方式即將絕緣層上的電極按列的方式每四個(gè)分為一組，形成一個(gè)象素單元，每組電極分別加上不同的偏置電壓，則在電極下絕緣膜與P型硅之間就產(chǎn)生不同深度的勢(shì)阱，如果有規(guī)律地改變電極上的電壓值，使勢(shì)阱產(chǎn)生變化，就可以使電子定向移動(dòng)，這也就是攝像頭的掃描讀出原理。

攝像頭光電信號(hào)轉(zhuǎn)移方式

攝像頭根據(jù)轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)移方式的不同又可以分成：

(1)InterlineTransfer（行間轉(zhuǎn)移）

(2)FullFrame（全幀）

(3)FrameTransfer（幀傳遞）

(4)Line （線陣）

以最典型的FullFrame傳輸為例，陣列的每一個(gè)像素都感光。

傳輸時(shí)，每一列向單行串行寄存器上相對(duì)應(yīng)的位置轉(zhuǎn)移。同時(shí)，串行寄存器向陣列的出口轉(zhuǎn)移。

這是一種架構(gòu)更簡(jiǎn)單的感光設(shè)計(jì)，F(xiàn)ull Frame可以利用整個(gè)感光區(qū)域(沒有寄存區(qū)的設(shè)計(jì))，有效的增大感光面積，同時(shí)也適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間曝光。

感光和電荷輸出過程是分開的。

下面是相機(jī)在拍照過程中光電子傳輸形式，其中下面大的黃框代表芯片敏感元區(qū)域，也就是芯片成像區(qū)域，上面黃色條紋代表接收光電子的電路部分，芯片在接收光電子后，按行輸出光電子信號(hào)，黑色點(diǎn)代表光電子數(shù)量和傳輸方向。

攝像頭的數(shù)據(jù)輸出形式

上面所述都是按照單行單列的模式進(jìn)行電荷傳輸?shù)摹Ｔ趯?shí)際應(yīng)用中如果單行的像素太多，會(huì)影響傳輸速度。這時(shí)可以使用多通道傳輸。

1. 單輸出(Single Tap) 通常是在低分辨率或低速的Line-scan Camera上的設(shè)計(jì)，它的特性是感光后將光轉(zhuǎn)成電荷信號(hào)通過單一輸出將數(shù)據(jù)傳遞出去。

2. 奇偶雙輸出 (Dual Taps) 通常是在高分辨率或?yàn)榱颂岣邆鬏斔俣鹊脑O(shè)計(jì)，它的特性是感光后分成奇數(shù)及偶數(shù)將光轉(zhuǎn)成電荷信號(hào)分成兩組將數(shù)據(jù)傳遞出去。要是不小心設(shè)定成單輸出，影像就會(huì)如同上圖所示，影像會(huì)有垂直的空隙，影像在放大時(shí)便會(huì)發(fā)現(xiàn)pixel 跟 pixel 中間的黑色影像，其實(shí)數(shù)據(jù)都是空的。

3. 前后雙輸出 (Dual Taps) 通常是在高分辨率或?yàn)榱颂岣邆鬏斔俣鹊脑O(shè)計(jì)，它的特性是在感光后分成前半段及后半段將光轉(zhuǎn)成電荷信號(hào)分成兩組將數(shù)據(jù)傳遞出去。要是不小心設(shè)定成單輸出，影像就會(huì)如上圖所示，影像只有一半，另一半變成黑色影像，其實(shí)數(shù)據(jù)都是空的。

4. 三輸出 (Triple Taps)

通常是用在RGB 彩色攝像頭上，棱鏡會(huì)依據(jù)光譜的波長(zhǎng)特性(紅光波長(zhǎng)最長(zhǎng)，再來是綠光，再來是藍(lán)光)分別將光線投射至紅、綠、藍(lán)三組攝像頭上，每個(gè)攝像頭分別將光轉(zhuǎn)成電荷信號(hào)輸出，雖然三組攝像頭分別有獨(dú)立的 Data Clock，但是因?yàn)楸仨氁猂, G, B 的數(shù)據(jù)組合在一起才會(huì)變成彩色影像，所以實(shí)際速度并沒有因?yàn)槊總€(gè)攝像頭有獨(dú)立的 Data Clock而加快。

5. 四輸出 (Quad Taps)

通常是在高分辨率或?yàn)榱颂岣邆鬏斔俣鹊脑O(shè)計(jì)，結(jié)合了雙輸出的奇偶輸出加上前后段輸出的特性分成四組，讓取像速度加快變成四倍。

6. 八輸出 (Octal Taps) 目前這類設(shè)計(jì)出現(xiàn)在超高分辨率的機(jī)種上，除了分出前后段，而且各分出四組輸出，因此取像速度可以提高成八倍而不會(huì)因?yàn)榉直媛屎芨叨顾俣却蟠蠼档汀?

7. TDI( Timing Delay Integration ) 時(shí)間延遲積分

它的攝像頭結(jié)構(gòu)比較特殊，并非是單排感光而是96排一起感光，即同樣的一次曝光時(shí)間下它會(huì)累積96排的感光量轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)之后再傳輸出去，由于累積的亮度較一般的攝像頭高，故較適合應(yīng)用在光線較暗無法提供充足亮度的系統(tǒng)上。但是這種型式十分注重取像頻率及運(yùn)動(dòng)速度的一致性，要是運(yùn)動(dòng)速度不穩(wěn)定取像出來會(huì)有模糊的情形。