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一文读懂图像传感器(建议收藏)

gecimao 发表于 2019-04-19 12:31 | 查看: | 回复:

  图像传感器是各种工业及监控用相机、便携式录放机、数码相机,扫描仪等的核心部件。目前,这个快速增长的市场现在已经延伸到了玩具、手机、PDA、汽车和生物等领域。

  成像物镜将外界照明光照射下的(或自身发光的)景物成像在物镜的像面上,形成二维空间的光强分布(光学图像)。能够将二维光强分布的光学图像转变成一维时序电信号的传感器称为图像传感器。图像传感器,是组成数字摄像头的重要组成部分。

  除以上两大常用类型外,还有一种CIS(Contact Image Sensor的缩写,接触式图像传感器),一般用在扫描仪中。由于是接触式扫描(必须与原稿保持很近的距离),只能使用LED光源,其景深、分辨率以及色彩表现目前都赶不上CCD感光器件,也不能用于扫描透射片。

  随着上世纪70年代和80年代固态成像应用的飞速发展,CCD技术和制造加工在光学特性和成像质量方面得到了最优化。在上世纪末的25年里,CCD技术一直统领着图像传感器件的潮流,它是能集成在一块很小的芯片上的高分辨率和高质量图像传感器。

  而 CMOS图像传感器近年得到迅速发展,大有后来居上之势。CMOS在中端、低端应用领域提供了可以与CCD相媲美的性能,而在价格方面确实明显占有优势,随着技术的发展,CMOS在高端应用领域也将占据一席之地。

  图像传感器是一种半导体装置,能够把光学影像转化为数字信号。传感器上植入的微小光敏物质称作像素。一块传感器上包含的像素数越多,其提供的画面分辨率也就越高。它的作用就像胶片一样,但它是把图像像素转换成数字信号。

  当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。将这两种新技术结合起来后,波义耳和史密斯得出一种装置,他们命名为“电荷‘气泡’元件”(Charge Bubble Devices)。

  这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷,便尝试用来做为记忆装置,当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷,而组成数位影像。

  到了70年代,贝尔实验室的研究员已经能用简单的线性装置捕捉影像,CCD就此诞生,CCD目前仍然广泛的应用在数码相机以及天文学等领域里。

  我们都知道CCD是一种数码时代中代替传统胶片的介质,其工作原理也是借助着最初胶片上的化学物质对光的感应原理而演变过来的。

  它使用一种高感光度的半导体材料制成,能把光线转变成电荷,通过模数转换器芯片转换成数字信号,数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存,因而可以轻而易举地把数据传输给计算机,并借助于计算机的处理手段,根据需要来修改图像。

  CCD由许多感光单位组成,通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时,每个感光单位会将电荷反映在组件上,所有的感光单位所产生的信号加在一起,就构成了一幅完整的画面。

  评价一个CCD传感器好坏的指标有很多,例如像素数、CCD尺寸、信噪比等等。其中像素数以及CCD的尺寸是最重要的指标。像素数是指CCD上感光元件的数量。

  我们可以把我们所拍摄到的画面理解为由很多个小的点组成,每个点就是一个像素。显然,像素数越多,画面就会越清晰,如果CCD没有足够的像素的话,拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响。

  因此,CCD的像素数量应该越多越好。但是为了得到更好的画质而增加了CCD的像素数后又必定会导致一个问题,那就是CCD制造成本的增加以及成品率下降。

  所以针对成本等一系列的问题,一种成本更低、功耗更低以及高整合度的CMOS传感器横空出世了。

  CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别,主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,使其在CMOS上共存着带负电的N极和带正电的P极的半导体,这两个一正一负互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和转换成影像。后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器。

  CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器,与CCD有着共同的历史渊源。CMOS图像传感器通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成,这几部分通常都被集成在同一块硅片上。其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。

  CMOS的光电信息转换功能与CCD的基本相似,区别就在于这两种传感器的光电转换后信息传送的方式不同。

  CMOS具有读取信息的方式简单、输出信息速率快、耗电省(仅为CCD芯片的1/10左右)、体积小、重量轻、集成度高、价格低等特点。

  正是考虑到CMOS传感器的制作成本以及成品率都要高于CCD传感器,所以几个知名厂商自2000起就开始加大对CMOS这种传感器的研发工作,目前CMOS的成长率已经达到了几倍于CCD的水平。

  我们可以看到,即使在早期尼康公司的数码单反产品中还会有一些型号的相机使用CCD传感器,但是无论是尼康、索尼还是佳能在近几年所推出的数码相机里,我们基本已经很难再看到CCD的踪影了。

  虽然使用CMOS传感器会节约相机的成本,但是成像质量对于相机来说仍然是最重要的,CMOS相比起CCD来说最大的致命伤就是画质,这是因为早期的CMOS有个明显的缺点,就是在电流变化时频率变快,因此不可避免的会产生热量,最终造成画面出现杂点影响成像质量。

  如果拿CCD和CMOS这两种传感器来比较的话,CCD这种传感器的最大的优点在于成像质量高,而CMOS最大的优点就在于成本低便于批量生产,而随着CMOS的缺点在不断的被完善。

  目前一些中画幅数码相机或数码后背仍然在使用CCD传感器,这是因为不同产品对画质有着不同的要求,所以那些中画幅的数码产品也的价格也往往会高出普通数码相机许多。

  因此,可以说将来的相机市场的主要发展方向仍然会是以CMOS作为核心,并在这个基础上不断提高CMOS的分辨率以及灵敏度等等。

  时代在进步,节约成本是每个商家都在坚持的经商法则,CCD的未来不一定在相机市场里,在其他领域,CCD也会凭借着自身的优势而被广泛的使用。

  科技不断发展,我相信在未来的某一天,一定会有更多种类的传感器出现,这也只是时间的问题,到那时我们回望过去,看看我们曾经经历过的胶片时代、CCD时代和CMOS时代,一定会由衷的感叹科技日新月异的飞速发展。

  CCD 和 CMOS 使用相同的光敏材料,因而受光后产生电子的基本原理相同,但是读取过程不同:CCD 是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移,整个电路非常复杂,读出速率慢;CMOS 则以类似 DRAM的方式读出信号,电路简单,读出速率高。

  采用特殊技术的CCD读出电路比较复杂,很难将A/D转换、信号处理、自动增益控制、精密放大和存储功能集成到一块芯片上,一般需要 3~8 个芯片组合实现,同时还需要一个多通道非标准供电电压。

  借助于大规模集成制造工艺,CMOS图像传感器能非常容易地把上述功能集成到单一芯片上,多数CMOS图像传感器同时具有模拟和数字输出信号。

  CCD 需多种电源供电,功耗较大,体积也比较大。CMOS 只需一个单电源(3V~5 V)供电,其功耗相当于 CCD 的1/10,高度集成CMOS 芯片可以做的相当小。

  CCD 技术已经相当成熟,而 CMOS 正处于蓬勃发展时期,虽然目前高端CMOS图像质量暂时不如CCD,但有些指标(如传输速率等方面)已超过CCD。由于CMOS具有诸多优点,国内外许多机构已经应用CMOS图像传感器开发出众多产品。

  有时大家可能有这样的疑问,同样是高清网络摄像机为什么图像效果会有差异呢?使用同样的配件,为什么晚上的效果也不同呢?其实这是与我们使用的sensor(即图像传感器)的硬件技术指标相关的,不管是CCD还是CMOS图像传感器,主要有“像素、靶面尺寸、感光度、电子快门、帧率、信噪比”这六大硬件技术指标。

  传感器上有许多感光单元,它们可以将光线转换成电荷,从而形成对应于景物的电子图像。而在传感器中,每一个感光单元对应一个像素(Pixels),像素越多,代表着它能够感测到更多的物体细节,从而图像就越清晰,像素越高,意味着成像效果越清晰。

  关联一下我们中维世纪的产品:100W网络摄像机分辨率是1280X720,两个值相乘得出的就是像素值,就是近100万个像素点,130W的分辨率是1280X960,像素值就是近130万个像素点。从图像效果上看,130W的效果比100W的要好一些。

  图像传感器感光部分的大小,一般用英寸来表示。和电视机一样,通常这个数据指的是这个图像传感器的对角线英寸,靶面越大,意味着通光量越好,而靶面越小则比较容易获得更大的景深。

  比如1/2英寸可以有比较大的通光量,而1/4英寸可以比较容易获得较大的景深。”关联一下我们中维世纪的产品:100W产品是1/4英寸,130W是1/3英寸,200W是1/2.7英寸,大家从画面上就能感知到上面提到的靶面尺寸的不同带来的图像画质的变化。

  即是通过CCD或CMOS以及相关的电子线路感应入射光线的强弱。感光度越高,感光面对光的敏感度就越强,快门速度就越高,这在拍摄运动车辆,夜间监控的时候尤其显得重要。

  这就是解释了为什么不同的摄像机夜视会有很大差别,感光度的单位是V/LUX-SEC,V(伏)就是我们通常说的电压的单位,LUX-SEC:是光强弱的单位,这个比值越大,夜视效果越好。

  是比照照相机的机械快门功能提出的一个术语。其控制图像传感器的感光时间,由于图像传感器的感光值就是信号电荷的积累,感光越长,信号电荷积累时间也越长,输出信号电流的幅值也越大。电子快门越快,感光度越低,适合在强光下拍摄。

  既指单位时间所记录或者播放的图片的数量。连续播放一系列图片就会产生动画效果,根据人类的视觉系统,当图片的播放速度大于15幅/秒(即15帧)的时候, 人眼就基本看不出来图片的跳跃;在达到24幅/s~30幅/s(即24帧到30帧)之间时就已经基本觉察不到闪烁现象了。

  每秒的帧数(fps)或者说帧率表示图形传感器在处理场时每秒钟能够更新的次数。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的视觉体验。

  是信号电压对于噪声电压的比值,信噪比的单位用dB来表示。一般摄像机给出的信噪比值均是AGC(自动增益控制)关闭时的值,因为当AGC接通时,会对小信号进行提升,使得噪声电平也相应提高。

  信噪比的典型值为45~55dB,若为50dB,则图像有少量噪声,但图像质量良好;若为60dB,则图像质量优良,不出现噪声,信噪比越大说明对噪声的控制越好。这个参数关系的图像中噪点的数量,信噪比越高,给人感觉画面越干净,夜视的画面中点状的噪点就越少。

  目前,CCD在性能方面还仍然优于CMOS。不过,随着CMOS图像传感器技术的不断进步,在其本身具备的集成性、低功耗、低成本的优势基础上,噪声与敏感度方面有了很大的提升,与CCD传感器差距不断缩小。甚至有些业内人士认为,未来的传感器市场,应是CMOS的天下。那么,到底哪一种传感器更适合工业相机市场呢?或者哪一种传感器更适应以后的需求?

  对于以上问题,答案是显而易见的:在选择某种芯片时有很多需要权衡考虑的问题。

  CCD和CMOS图像传感器各有利弊,在整个图像传感器市场上它们既是一种相互竞争又是一种相互补充的关系,而有些时候,两种传感器之间是互补的,可以适用在不同的应用场合。不论是哪种传感器比较强大,他们技术的进步无疑都将极大推动图像传感器市场及机器视觉行业的发展。

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