圖像傳感器的分類及原理

　　一、圖像傳感器的原理

　　成像物鏡將外界照明光照射下的（或自身發(fā)光的）景物成像在物鏡的像面上（焦平面），并形成二 維空間的光強(qiáng)分布（光學(xué)圖像）。能夠?qū)⒍S光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成一維時(shí)序電信號(hào)的傳感器稱為圖像傳感器。圖像傳感器輸出的一維時(shí)序信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和同步控制處理后，送給圖像顯示器，可以還原并顯示二維光學(xué)圖像。當(dāng)然，圖像傳感器與圖像顯示器之間的信號(hào)傳輸與接收都要遵守一定的規(guī)則，這個(gè)規(guī)則被稱為制式。例如，廣播電視系統(tǒng)中規(guī)定的規(guī)則稱為電視制式（NTSC、PAL、SECAM），還有其他的一些專用制式。按電視制式輸出的——維時(shí)序信號(hào)被稱為視頻信號(hào)；本節(jié)主要討論從光學(xué)圖像到視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換原理，即圖像傳感器的原理。

　　定義：成像物鏡將外界照明光照射下的（或自身發(fā)光的）景物成像在物鏡的像面上，形成二維空間的光強(qiáng)分布（光學(xué)圖像）。能夠?qū)⒍S光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成一維時(shí)序電信號(hào)的傳感器稱為圖像傳感器。

　　二、圖像傳感器的分類

　　圖像傳感器，是組成數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分。根據(jù)元件的不同，可分為CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導(dǎo)體元件）兩大類。

　　1、CCD圖像傳感器

　　1969年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的w.s.boyle與g.e.smith將可視電話和半導(dǎo)體泡存儲(chǔ)技術(shù)結(jié)合，率先發(fā)明了CCD （charged coupled device，電荷耦合件）元件本身開(kāi)始是被當(dāng)作單純的存儲(chǔ)器使用 。由于它能存儲(chǔ)并傳輸信號(hào)電荷，CCD還可以利用內(nèi)光電效應(yīng)來(lái)拍攝并存儲(chǔ)圖象，具備圖像傳感器的功能。

　　經(jīng)過(guò)30多年研究與開(kāi)發(fā)，CCD在像素集成度、分辨力、靈敏度，工作速度等指標(biāo)上取得突破性進(jìn)展，其應(yīng)用正從一維、二維向三維發(fā)展，其光波范圍從紫外區(qū)到紅外區(qū)，CCD已成為光子探測(cè)及視頻采集領(lǐng)域最重要的技術(shù)，普遍認(rèn)為是20世紀(jì)70年代以來(lái)出現(xiàn)的最重要的半導(dǎo)體器件之一，得到了廣泛應(yīng)用。

　　如今CCD是應(yīng)用在攝影攝像方面的高端技術(shù)元件，CMOS則應(yīng)用于較低影像品質(zhì)的產(chǎn)品中，它的優(yōu)點(diǎn)是制造成本較CCD更低，功耗也低得多，這也是市場(chǎng)很多采用USB接口的產(chǎn)品無(wú)須外接電源且價(jià)格便宜的原因。盡管在技術(shù)上有較大的不同，但CCD和CMOS兩者性能差距不是很大，只是CMOS攝像頭對(duì)光源的要求要高一些，但現(xiàn)在該問(wèn)題已經(jīng)基本得到解決。目前CCD元件的尺寸多為1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜選擇元件尺寸較大的為好。圖像傳感器又叫感光元件。

　　2、CCD圖像傳感器的優(yōu)勢(shì)

　　CCD作為固態(tài)圖像傳感器有體積小、重量輕、分辨率高、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、光敏元的幾何精度高、光譜響應(yīng)范圍寬、工作電壓低、功耗小、壽命長(zhǎng)、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場(chǎng)干擾和可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)。

　　具高敏感度，很低光度的入射光也能偵測(cè)到，其訊號(hào)不會(huì)被掩飾，使CCD的利用較不受天候拘謹(jǐn)。 靜態(tài)范疇廣（High Dynamic Range），同時(shí)偵測(cè)及辨別強(qiáng)光跟弱光，進(jìn)步體系情況的應(yīng)用范疇，不因亮度差別年夜而形成旌旗燈號(hào)反差景象。 精良的線性特征曲線（Linearity），入射光源強(qiáng)度跟輸出訊號(hào)年夜小成精良的正比關(guān)聯(lián)，物體資訊不致喪失，下降旌旗燈號(hào)彌補(bǔ)處置本錢(qián)。

　　3、CMOS圖像傳感器

　　與CCD有著同樣歷史淵源的CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，CMOS圖像傳感器通常由像敏單元陣列、行驅(qū)動(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器、時(shí)序控制邏輯、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線輸出接口、控制接口等幾部分組成，這幾部分通常都被集成在同一塊硅片上。其工作過(guò)程一般可分為復(fù)位、光電轉(zhuǎn)換、積分、讀出幾部分。

　　在CMOS圖像傳感器芯片上還可以集成其他數(shù)字信號(hào)處理電路，如AD轉(zhuǎn)換器、自動(dòng)曝光量控制、非均勻補(bǔ)償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，為了進(jìn)行快速計(jì)算甚至可以將具有可編程功能的DSP器件與CMOS器件集成在一起，從而組成單片數(shù)字相機(jī)及圖像處理系統(tǒng)。

　　CMOS圖像傳感器于80年代發(fā)明以來(lái)，由于當(dāng)時(shí)CMOS工藝制程的技術(shù)不高，以致于傳感器在應(yīng)用中的雜訊較大，商品化進(jìn)程一直較慢。時(shí)至今日，CMOS傳感器的應(yīng)用范圍也開(kāi)始非常的廣泛，包括數(shù)碼相機(jī) 、PC Camera、影像電話、第三代手機(jī)、視訊會(huì)議、智能型保全系統(tǒng)、汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)、玩具，以及工業(yè)、醫(yī)療等用途。在低檔產(chǎn)品方面，其畫(huà)質(zhì)質(zhì)量已接近低檔CCD的解析度，相關(guān)業(yè)者希望用CMOS器件取代CCD的努力正在逐漸明朗。CMOS傳感器有可細(xì)分為：被動(dòng)式像素傳感器CMOS（Passive Pixel Sensor CMOS）與主動(dòng)式像素傳感器CMOS（Active Pixel Sensor CMOS）。

　　4、CMOS圖像傳感器的優(yōu)勢(shì)

　　CMOS傳感器的最年夜上風(fēng)，是它存在高度體系整合的前提。實(shí)踐上，全部圖像傳感器所需的功效，比方垂直位移、程度位移暫存器、時(shí)序把持、CDS、ADC等， 都可放在集成在一顆晶片上， 乃至于全部的晶片包含后端晶片（Back-end Chip）、快閃影象體（Flash RAM）等也可整分解單晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以到達(dá)下降整機(jī)出產(chǎn)本錢(qián)的目標(biāo)。

　　5、CCD與CMOS圖像傳感器的區(qū)別

　　CCD和CMOS在制造上的主要區(qū)別是CCD是集成在半導(dǎo)體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱做金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上，工作原理沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。 從制造工藝上說(shuō)CCD制造工藝較復(fù)雜，只有少數(shù)幾個(gè)廠商，如索尼、松下、夏普等掌握這種技術(shù)，因此CCD攝像機(jī)的價(jià)格會(huì)相對(duì)比較貴。事實(shí)上經(jīng)過(guò)技術(shù)改造，目前CCD和高級(jí)CMOS的實(shí)際效果的差距已經(jīng)非常小了。而且CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD，所以很多低檔攝像頭生產(chǎn)廠商采用普通CMOS感光元件作為核心組件。

　　成像方面，在相同像素下CCD的成像通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準(zhǔn)確。而普通CMOS的產(chǎn)品往往通透性一般，對(duì)實(shí)物的色彩還原能力偏弱，曝光也都不太好，由于自身物理特性的原因，普通CMOS的成像質(zhì)量和CCD還是有一定差距。但由于低廉的價(jià)格以及高度的整合性，因此在攝像頭領(lǐng)域還是得到了廣泛的應(yīng)用。

　　在原理上，CMOS的信號(hào)是以點(diǎn)為單位的電荷信號(hào)，而CCD是以行為單位的電流信號(hào)，前者更為敏感，速度也更快，更為省電?，F(xiàn)在高級(jí)的CMOS并不比一般CCD差，但是CMOS工藝還不是十分成熟，普通的CMOS一般分辨率較低而成像質(zhì)量也較差。

　　目前，許多低檔入門(mén)型的攝像機(jī)使用廉價(jià)的低檔CMOS芯片，成像質(zhì)量比較差。普及型、高級(jí)型及專業(yè)型攝像機(jī)使用不同檔次的CCD，個(gè)別專業(yè)型或準(zhǔn)專業(yè)型數(shù)碼相機(jī)使用高級(jí)的CMOS芯片。代表成像技術(shù)未來(lái)發(fā)展的X3芯片實(shí)際也是一種CMOS芯片。

　　圖像傳感器又分為1/2“，1/3”，1/4“之分。1/2最好。目前以1/3和1/4為多。從產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，無(wú)論是CCD還是CMOS，其體積小型化及高像素化仍是業(yè)界積極研發(fā)的目標(biāo)。因?yàn)橄袼爻叽缧t圖像產(chǎn)品的分辨率越高、清晰度越好、體積越小，其應(yīng)用面更廣泛。