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的呈現(xiàn)出來，所見即所得。

比如人眼看到的一座山的風景，是這樣：

手機攝像頭設計后的外觀是這樣：

紅外攝像頭設計后的外觀是這樣：

如何將外界的圖像真實地呈現(xiàn)在芯片上？

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

拆解后的圖片對芯片來講，是下面這樣：

感光芯片的設計思想就是分割被描述的區(qū)域，用相應的灰度來填充。

如果將圖像拆解的方格（像元）足夠小，就足夠顯示每一個圖片的細節(jié)。這就是為什么手機像素要向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，要將接收到的光信號轉(zhuǎn)變成屏幕上的圖像，背后有一些運算邏輯，大致過程是這樣：

一張典型的光學芯片，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，線路將光信號輸出到外部電路中。

可以將芯片的成像區(qū)域比喻成一個個小桶，用來接收外部的光信號。

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

2.隨著芯片接收外部的光電子，這些電荷可以被儲存起來。

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，是一個由金屬-氧化物-半導體組成的電容器。

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，通過活化置換技術再在氧化膜表面做出許多排列整齊的可透光的電極，當光線通過時，氧化膜與P型單晶硅之間產(chǎn)生電荷，其電荷的數(shù)量與光照強度及照射時間成正比。

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

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

當景物的光照射到攝像頭時，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，空穴移向襯底而消失，電子進入勢阱并存儲在那里。

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

這一過程存在著以下問題：

當一個像素聚集過多的電荷后，就會出現(xiàn)電荷溢出，溢出的電荷會跑到相鄰的像素勢阱里去。這樣電荷的電量就不能如實反映原物。

要避免這種情況發(fā)生的方法：

（1）把桶做大些；

（2）減少測量時間；

（3）把裝滿水的桶倒出一些；

（4）做個導流管，讓溢出的水流到地上去，不要流到其它桶里。

對應的方法：

（1）增大單位像素尺寸；

（2）縮短曝光時間；（缺點：對于暗的部分曝光不足。）

（3）間歇開關時鐘電壓；缺點：會降低速度

（4）溢出溝道和溢出門；（缺點：制作復雜，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

當一個攝像頭芯片感光完畢后。每個像素所轉(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。

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

勢阱的深淺由電極上所加電壓的大小決定。電荷在勢阱內(nèi)可以流動，它總是從相鄰淺阱里流進深阱中，這種電荷流動稱為電荷轉(zhuǎn)移。若有規(guī)律改變電極電壓，則勢阱的深度就會隨之變化，勢阱內(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、雙相驅(qū)動、三相驅(qū)動及四相驅(qū)動等多種方式，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)動方式的驅(qū)動電路比較復雜，但相鄰勢阱的深度差較大，電荷的存貯量也大，容易實現(xiàn)隔行掃描，在專業(yè)級攝像機中應用較為廣泛。

四相驅(qū)動方式即將絕緣層上的電極按列的方式每四個分為一組，形成一個象素單元，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)生不同深度的勢阱，如果有規(guī)律地改變電極上的電壓值，使勢阱產(chǎn)生變化，就可以使電子定向移動，這也就是攝像頭的掃描讀出原理。

攝像頭光電信號轉(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，陣列的每一個像素都感光。

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

這是一種架構(gòu)更簡單的感光設計，F(xiàn)ull Frame可以利用整個感光區(qū)域(沒有寄存區(qū)的設計)，有效的增大感光面積，同時也適應長時間曝光。

感光和電荷輸出過程是分開的。

下面是相機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，黑色點代表光電子數(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行電荷傳輸?shù)?。在實際應用中如果單行的像素太多，會影響傳輸速度。這時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上的設計，它的特性是感光后將光轉(zhuǎn)成電荷信號通過單一輸出將數(shù)據(jù)傳遞出去。

2. 奇偶雙輸出 (Dual Taps) 通常是在高分辨率或為了提高傳輸速度的設計，它的特性是感光后分成奇數(shù)及偶數(shù)將光轉(zhuǎn)成電荷信號分成兩組將數(shù)據(jù)傳遞出去。要是不小心設定成單輸出，影像就會如同上圖所示，影像會有垂直的空隙，影像在放大時便會發(fā)現(xiàn)pixel 跟 pixel 中間的黑色影像，其實數(shù)據(jù)都是空的。

3. 前后雙輸出 (Dual Taps) 通常是在高分辨率或為了提高傳輸速度的設計，它的特性是在感光后分成前半段及后半段將光轉(zhuǎn)成電荷信號分成兩組將數(shù)據(jù)傳遞出去。要是不小心設定成單輸出，影像就會如上圖所示，影像只有一半，另一半變成黑色影像，其實數(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，棱鏡會依據(jù)光譜的波長特性(紅光波長最長，再來是綠光，再來是藍光)分別將光線投射至紅、綠、藍三組攝像頭上，每個攝像頭分別將光轉(zhuǎn)成電荷信號輸出，雖然三組攝像頭分別有獨立的 Data Clock，但是因為必須要R, G, B 的數(shù)據(jù)組合在一起才會變成彩色影像，所以實際速度并沒有因為每個攝像頭有獨立的 Data Clock而加快。

5. 四輸出 (Quad Taps)

通常是在高分辨率或為了提高傳輸速度的設計，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) 目前這類設計出現(xiàn)在超高分辨率的機種上，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因為分辨率很高而使速度大大降低。

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

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間下它會累積96排的感光量轉(zhuǎn)換成電荷信號之后再傳輸出去，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動速度的一致性，要是運動速度不穩(wěn)定取像出來會有模糊的情形。