一文讀懂圖像傳感器

圖像傳感器是各種工業(yè)及監(jiān)控用相機、便攜式錄放機、數(shù)碼相機，掃描儀等的核心部件。目前，這個快速增長的市場現(xiàn)在已經(jīng)延伸到了玩具、手機、PDA、汽車和生物等領域。

圖像傳感器

圖像傳感器定義及種類

圖像傳感器應用

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分布（光學圖像）。能夠?qū)⒍S光強分布的光學圖像轉(zhuǎn)變成一維時序電信號的傳感器稱為圖像傳感器。圖像傳感器，是組成數(shù)字攝像頭的重要組成部分。

根據(jù)元件的不同，圖像傳感器通常可分為CCD（Charge-Coupled Device，電荷耦合器件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導體元件）兩大類。

除以上兩大常用類型外，還有一種CIS（Contact Image Sensor的縮寫，接觸式圖像傳感器），一般用在掃描儀中。由于是接觸式掃描(必須與原稿保持很近的距離)，只能使用LED光源，其景深、分辨率以及色彩表現(xiàn)目前都趕不上CCD感光器件，也不能用于掃描透射片。

接觸式CIS

隨著上世紀70年代和80年代固態(tài)成像應用的飛速發(fā)展，CCD技術(shù)和制造加工在光學特性和成像質(zhì)量方面得到了最優(yōu)化。在上世紀末的25年里，CCD技術(shù)一直統(tǒng)領著圖像傳感器件的潮流，它是能集成在一塊很小的芯片上的高分辨率和高質(zhì)量圖像傳感器。

而 CMOS圖像傳感器近年得到迅速發(fā)展，大有后來居上之勢。CMOS在中端、低端應用領域提供了可以與CCD相媲美的性能，而在價格方面確實明顯占有優(yōu)勢，隨著技術(shù)的發(fā)展，CMOS在高端應用領域也將占據(jù)一席之地。

圖像傳感器的工作原理

圖像傳感器的工作原理

圖像傳感器是一種半導體裝置，能夠把光學影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。傳感器上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素。一塊傳感器上包含的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。它的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

CCD及CMOS的發(fā)展歷史和特點

CCD是在1969年由美國貝爾實驗室(Bell Labs)的維拉?波義耳(Willard S. Boyle)和喬治?史密斯(George E. Smith)所發(fā)明。

貝爾實驗室

當時貝爾實驗室正在發(fā)展影像電話和半導體氣泡式內(nèi)存。將這兩種新技術(shù)結(jié)合起來后，波義耳和史密斯得出一種裝置，他們命名為“電荷‘氣泡’元件”（Charge "Bubble" Devices）。

這種裝置的特性就是它能沿著一片半導體的表面?zhèn)鬟f電荷，便嘗試用來做為記憶裝置，當時只能從暫存器用“注入”電荷的方式輸入記憶。但隨即發(fā)現(xiàn)光電效應能使此種元件表面產(chǎn)生電荷，而組成數(shù)位影像。

到了70年代，貝爾實驗室的研究員已經(jīng)能用簡單的線性裝置捕捉影像，CCD就此誕生，CCD目前仍然廣泛的應用在數(shù)碼相機以及天文學等領域里。

我們都知道CCD是一種數(shù)碼時代中代替?zhèn)鹘y(tǒng)膠片的介質(zhì)，其工作原理也是借助著最初膠片上的化學物質(zhì)對光的感應原理而演變過來的。

它使用一種高感光度的半導體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過壓縮以后由相機內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據(jù)需要來修改圖像。

CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。

CCD的比較顯著特點是：

1.技術(shù)成熟

2.成像質(zhì)量高

3.靈敏度高，噪聲低，動態(tài)范圍大;

4.響應速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像;

5.應用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確。

評價一個CCD傳感器好壞的指標有很多，例如像素數(shù)、CCD尺寸、信噪比等等。其中像素數(shù)以及CCD的尺寸是最重要的指標。像素數(shù)是指CCD上感光元件的數(shù)量。

我們可以把我們所拍攝到的畫面理解為由很多個小的點組成，每個點就是一個像素。顯然，像素數(shù)越多，畫面就會越清晰，如果CCD沒有足夠的像素的話，拍攝出來的畫面的清晰度就會大受影響。

因此，CCD的像素數(shù)量應該越多越好。但是為了得到更好的畫質(zhì)而增加了CCD的像素數(shù)后又必定會導致一個問題，那就是CCD制造成本的增加以及成品率下降。

所以針對成本等一系列的問題，一種成本更低、功耗更低以及高整合度的CMOS傳感器橫空出世了。

CMOS本是計算機系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導最基本的資料。

CMOS

CMOS的制造技術(shù)和一般計算機芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶負電的N極和帶正電的P極的半導體，這兩個一正一負互補效應所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀錄和轉(zhuǎn)換成影像。后來發(fā)現(xiàn)CMOS經(jīng)過加工也可以作為數(shù)碼攝影中的圖像傳感器。

CMOS

CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，與CCD有著共同的歷史淵源。CMOS圖像傳感器通常由像敏單元陣列、行驅(qū)動器、列驅(qū)動器、時序控制邏輯、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。其工作過程一般可分為復位、光電轉(zhuǎn)換、積分、讀出幾部分。

CMOS的光電信息轉(zhuǎn)換功能與CCD的基本相似，區(qū)別就在于這兩種傳感器的光電轉(zhuǎn)換后信息傳送的方式不同。

CMOS構(gòu)成

CMOS具有讀取信息的方式簡單、輸出信息速率快、耗電省(僅為CCD芯片的1/10左右)、體積小、重量輕、集成度高、價格低等特點。

正是考慮到CMOS傳感器的制作成本以及成品率都要高于CCD傳感器，所以幾個知名廠商自2000起就開始加大對CMOS這種傳感器的研發(fā)工作，目前CMOS的成長率已經(jīng)達到了幾倍于CCD的水平。

我們可以看到，即使在早期尼康公司的數(shù)碼單反產(chǎn)品中還會有一些型號的相機使用CCD傳感器，但是無論是尼康、索尼還是佳能在近幾年所推出的數(shù)碼相機里，我們基本已經(jīng)很難再看到CCD的蹤影了。

雖然使用CMOS傳感器會節(jié)約相機的成本，但是成像質(zhì)量對于相機來說仍然是最重要的，CMOS相比起CCD來說最大的致命傷就是畫質(zhì)，這是因為早期的CMOS有個明顯的缺點，就是在電流變化時頻率變快，因此不可避免的會產(chǎn)生熱量，最終造成畫面出現(xiàn)雜點影響成像質(zhì)量。

如果拿CCD和CMOS這兩種傳感器來比較的話，CCD這種傳感器的最大的優(yōu)點在于成像質(zhì)量高，而CMOS最大的優(yōu)點就在于成本低便于批量生產(chǎn)，而隨著CMOS的缺點在不斷的被完善。

目前一些中畫幅數(shù)碼相機或數(shù)碼后背仍然在使用CCD傳感器，這是因為不同產(chǎn)品對畫質(zhì)有著不同的要求，所以那些中畫幅的數(shù)碼產(chǎn)品也的價格也往往會高出普通數(shù)碼相機許多。

因此，可以說將來的相機市場的主要發(fā)展方向仍然會是以CMOS作為核心，并在這個基礎上不斷提高CMOS的分辨率以及靈敏度等等。

工業(yè)相機

時代在進步，節(jié)約成本是每個商家都在堅持的經(jīng)商法則，CCD的未來不一定在相機市場里，在其他領域，CCD也會憑借著自身的優(yōu)勢而被廣泛的使用。

科技不斷發(fā)展，我相信在未來的某一天，一定會有更多種類的傳感器出現(xiàn)，這也只是時間的問題，到那時我們回望過去，看看我們曾經(jīng)經(jīng)歷過的膠片時代、CCD時代和CMOS時代，一定會由衷的感嘆科技日新月異的飛速發(fā)展。

CCD 與 CMOS 的比較

1、成像過程

CCD 和 CMOS 使用相同的光敏材料，因而受光后產(chǎn)生電子的基本原理相同，但是讀取過程不同：CCD 是在同步信號和時鐘信號的配合下以幀或行的方式轉(zhuǎn)移，整個電路非常復雜，讀出速率慢；CMOS 則以類似 DRAM的方式讀出信號，電路簡單，讀出速率高。

2、集成度

采用特殊技術(shù)的CCD讀出電路比較復雜，很難將A/D轉(zhuǎn)換、信號處理、自動增益控制、精密放大和存儲功能集成到一塊芯片上，一般需要 3～8 個芯片組合實現(xiàn)，同時還需要一個多通道非標準供電電壓。

借助于大規(guī)模集成制造工藝，CMOS圖像傳感器能非常容易地把上述功能集成到單一芯片上，多數(shù)CMOS圖像傳感器同時具有模擬和數(shù)字輸出信號。

3、電源、功耗和體積 

CCD 需多種電源供電，功耗較大，體積也比較大。CMOS 只需一個單電源(3V~5 V)供電，其功耗相當于 CCD 的1/10，高度集成CMOS 芯片可以做的相當小。

4、性能指標

CCD 技術(shù)已經(jīng)相當成熟，而 CMOS 正處于蓬勃發(fā)展時期，雖然目前高端CMOS圖像質(zhì)量暫時不如CCD，但有些指標（如傳輸速率等方面）已超過CCD。由于CMOS具有諸多優(yōu)點，國內(nèi)外許多機構(gòu)已經(jīng)應用CMOS圖像傳感器開發(fā)出眾多產(chǎn)品。

CCD與CMOS圖像傳感器的六大硬件技術(shù)指標

有時大家可能有這樣的疑問，同樣是高清網(wǎng)絡攝像機為什么圖像效果會有差異呢？使用同樣的配件，為什么晚上的效果也不同呢？其實這是與我們使用的sensor（即圖像傳感器）的硬件技術(shù)指標相關(guān)的，不管是CCD還是CMOS圖像傳感器，主要有“像素、靶面尺寸、感光度、電子快門、幀率、信噪比”這六大硬件技術(shù)指標。

像素：

傳感器上有許多感光單元，它們可以將光線轉(zhuǎn)換成電荷，從而形成對應于景物的電子圖像。而在傳感器中，每一個感光單元對應一個像素(Pixels)，像素越多，代表著它能夠感測到更多的物體細節(jié)，從而圖像就越清晰，像素越高，意味著成像效果越清晰。

像素

關(guān)聯(lián)一下我們中維世紀的產(chǎn)品：100W網(wǎng)絡攝像機分辨率是1280X720，兩個值相乘得出的就是像素值，就是近100萬個像素點，130W的分辨率是1280X960,像素值就是近130萬個像素點。從圖像效果上看，130W的效果比100W的要好一些。

靶面尺寸：

圖像傳感器感光部分的大小，一般用英寸來表示。和電視機一樣，通常這個數(shù)據(jù)指的是這個圖像傳感器的對角線長度，如 常見的有1/3英寸，靶面越大，意味著通光量越好，而靶面越小則比較容易獲得更大的景深。

比如1/2英寸可以有比較大的通光量，而1/4英寸可以比較容易獲得較大的景深。”關(guān)聯(lián)一下我們中維世紀的產(chǎn)品：100W產(chǎn)品是1/4英寸，130W是1/3英寸,200W是1/2.7英寸，大家從畫面上就能感知到上面提到的靶面尺寸的不同帶來的圖像畫質(zhì)的變化。

感光度：

即是通過CCD或CMOS以及相關(guān)的電子線路感應入射光線的強弱。感光度越高，感光面對光的敏感度就越強，快門速度就越高，這在拍攝運動車輛，夜間監(jiān)控的時候尤其顯得重要。

這就是解釋了為什么不同的攝像機夜視會有很大差別，感光度的單位是V/LUX-SEC,V(伏）就是我們通常說的電壓的單位，LUX-SEC:是光強弱的單位，這個比值越大，夜視效果越好。

電子快門：

是比照照相機的機械快門功能提出的一個術(shù)語。其控制圖像傳感器的感光時間，由于圖像傳感器的感光值就是信號電荷的積累，感光越長，信號電荷積累時間也越長，輸出信號電流的幅值也越大。電子快門越快，感光度越低，適合在強光下拍攝。

幀率：

既指單位時間所記錄或者播放的圖片的數(shù)量。連續(xù)播放一系列圖片就會產(chǎn)生動畫效果，根據(jù)人類的視覺系統(tǒng)，當圖片的播放速度大于15幅/秒（即15幀）的時候， 人眼就基本看不出來圖片的跳躍；在達到24幅/s～30幅/s（即24幀到30幀）之間時就已經(jīng)基本覺察不到閃爍現(xiàn)象了。

每秒的幀數(shù)(fps)或者說幀率表示圖形傳感器在處理場時每秒鐘能夠更新的次數(shù)。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的視覺體驗。

信噪比：

是信號電壓對于噪聲電壓的比值，信噪比的單位用dB來表示。一般攝像機給出的信噪比值均是AGC(自動增益控制)關(guān)閉時的值，因為當AGC接通時，會對小信號進行提升，使得噪聲電平也相應提高。

信噪比的典型值為45～55dB，若為50dB，則圖像有少量噪聲，但圖像質(zhì)量良好；若為60dB，則圖像質(zhì)量優(yōu)良，不出現(xiàn)噪聲，信噪比越大說明對噪聲的控制越好。這個參數(shù)關(guān)系的圖像中噪點的數(shù)量，信噪比越高，給人感覺畫面越干凈，夜視的畫面中點狀的噪點就越少。

結(jié)語：

目前，CCD在性能方面還仍然優(yōu)于CMOS。不過，隨著CMOS圖像傳感器技術(shù)的不斷進步，在其本身具備的集成性、低功耗、低成本的優(yōu)勢基礎上，噪聲與敏感度方面有了很大的提升，與CCD傳感器差距不斷縮小。甚至有些業(yè)內(nèi)人士認為，未來的傳感器市場，應是CMOS的天下。那么，到底哪一種傳感器更適合工業(yè)相機市場呢？或者哪一種傳感器更適應以后的需求？

對于以上問題，答案是顯而易見的：在選擇某種芯片時有很多需要權(quán)衡考慮的問題。

CCD和CMOS圖像傳感器各有利弊，在整個圖像傳感器市場上它們既是一種相互競爭又是一種相互補充的關(guān)系，而有些時候，兩種傳感器之間是互補的，可以適用在不同的應用場合。不論是哪種傳感器比較強大，他們技術(shù)的進步無疑都將極大推動圖像傳感器市場及機器視覺行業(yè)的發(fā)展。

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