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

 

圖像傳感器

 

 

圖像傳感器應(yīng)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(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，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，圖像傳感器通?？煞譃镃CD（Charge-Coupled Device，電荷耦合器件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導(dǎo)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(jì)70年代和80年代固態(tài)成像應(yīng)用的飛速發(fā)展，CCD技術(shù)和制造加工在光學(xué)特性和成像質(zhì)量方面得到了最優(yōu)化。在上世紀(jì)末的25年里，CCD技術(shù)一直統(tǒng)領(lǐng)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(lái)居上之勢(shì)。CMOS在中端、低端應(yīng)用領(lǐng)域提供了可以與CCD相媲美的性能，而在價(jià)格方面確實(shí)明顯占有優(yōu)勢(shì)，隨著技術(shù)的發(fā)展，CMOS在高端應(yīng)用領(lǐng)域也將占據(jù)一席之地。

 

 

圖像傳感器的工作原理

 

圖像傳感器是一種半導(dǎo)體裝置，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。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?cái)?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(hào)。

 

 

CCD是在1969年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室

 

當(dāng)時(shí)貝爾實(shí)驗(yàn)室正在發(fā)展影像電話和半導(dǎo)體氣泡式內(nèi)存。將這兩種新技術(shù)結(jié)合起來(lái)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(dǎo)體的表面?zhèn)鬟f電荷，便嘗試用來(lái)做為記憶裝置，當(dāng)時(shí)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(yīng)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(shí)驗(yàn)室的研究員已經(jīng)能用簡(jiǎn)單的線性裝置捕捉影像，CCD就此誕生，CCD目前仍然廣泛的應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)以及天文學(xué)等領(lǐng)域里。

 

我們都知道CCD是一種數(shù)碼時(shí)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(xué)物質(zhì)對(duì)光的感應(yīng)原理而演變過來(lái)的。

 

 

它使用一種高感光度的半導(dǎo)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(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要來(lái)修改圖像。

 

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

 

 

 

評(píng)價(jià)一個(gè)CCD傳感器好壞的指標(biāo)有很多，例如像素?cái)?shù)、CCD尺寸、信噪比等等。其中像素?cái)?shù)以及CCD的尺寸是最重要的指標(biāo)。像素?cái)?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(gè)小的點(diǎn)組成，每個(gè)點(diǎn)就是一個(gè)像素。顯然，像素?cái)?shù)越多，畫面就會(huì)越清晰，如果CCD沒有足夠的像素的話，拍攝出來(lái)的畫面的清晰度就會(huì)大受影響。

 

因此，CCD的像素?cái)?shù)量應(yīng)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?cái)?shù)后又必定會(huì)導(dǎo)致一個(gè)問題，那就是CCD制造成本的增加以及成品率下降。

 

所以針對(duì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導(dǎo)最基本的資料。

 

CMOS

 

CMOS的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)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(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶負(fù)電的N極和帶正電的P極的半導(dǎo)體，這兩個(gè)一正一負(fù)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和轉(zhuǎn)換成影像。后來(lái)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(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。其工作過程一般可分為復(fù)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(jiǎn)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(jià)格低等特點(diǎn)。

 

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(gè)知名廠商自2000起就開始加大對(duì)CMOS這種傳感器的研發(fā)工作，目前CMOS的成長(zhǎng)率已經(jīng)達(dá)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(huì)有一些型號(hào)的相機(jī)使用CCD傳感器，但是無(wú)論是尼康、索尼還是佳能在近幾年所推出的數(shù)碼相機(jī)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(huì)節(jié)約相機(jī)的成本，但是成像質(zhì)量對(duì)于相機(jī)來(lái)說(shuō)仍然是最重要的，CMOS相比起CCD來(lái)說(shuō)最大的致命傷就是畫質(zhì)，這是因?yàn)樵缙诘腃MOS有個(gè)明顯的缺點(diǎn)，就是在電流變化時(shí)頻率變快，因此不可避免的會(huì)產(chǎn)生熱量，最終造成畫面出現(xiàn)雜點(diǎn)影響成像質(zhì)量。

 

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

 

目前一些中畫幅數(shù)碼相機(jī)或數(shù)碼后背仍然在使用CCD傳感器，這是因?yàn)椴煌a(chǎn)品對(duì)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(jià)格也往往會(huì)高出普通數(shù)碼相機(jī)許多。

 

因此，可以說(shuō)將來(lái)的相機(jī)市場(chǎng)的主要發(fā)展方向仍然會(huì)是以CMOS作為核心，并在這個(gè)基礎(chǔ)上不斷提高CMOS的分辨率以及靈敏度等等。

 

工業(yè)相機(jī)

 

時(shí)代在進(jìn)步，節(jié)約成本是每個(gè)商家都在堅(jiān)持的經(jīng)商法則，CCD的未來(lái)不一定在相機(jī)市場(chǎng)里，在其他領(lǐng)域，CCD也會(huì)憑借著自身的優(yōu)勢(shì)而被廣泛的使用。

 

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

 

 

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(hào)和時(shí)鐘信號(hào)的配合下以幀或行的方式轉(zhuǎn)移，整個(gè)電路非常復(fù)雜，讀出速率慢；CMOS 則以類似 DRAM的方式讀出信號(hào)，電路簡(jiǎn)單，讀出速率高。

 

 

采用特殊技術(shù)的CCD讀出電路比較復(fù)雜，很難將A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、自動(dòng)增益控制、精密放大和存儲(chǔ)功能集成到一塊芯片上，一般需要 3～8 個(gè)芯片組合實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還需要一個(gè)多通道非標(biāo)準(zhǔn)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(shí)具有模擬和數(shù)字輸出信號(hào)。

 

 

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

 

 

CCD 技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，而 CMOS 正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，雖然目前高端CMOS圖像質(zhì)量暫時(shí)不如CCD，但有些指標(biāo)（如傳輸速率等方面）已超過CCD。由于CMOS具有諸多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外許多機(jī)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用CMOS圖像傳感器開發(fā)出眾多產(chǎn)品。

 

 

有時(shí)大家可能有這樣的疑問，同樣是高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)為什么圖像效果會(huì)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(shí)這是與我們使用的sensor（即圖像傳感器）的硬件技術(shù)指標(biāo)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(biāo)。

 

 

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(duì)應(yīng)于景物的電子圖像。而在傳感器中，每一個(gè)感光單元對(duì)應(yīng)一個(gè)像素(Pixels)，像素越多，代表著它能夠感測(cè)到更多的物體細(xì)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(jì)的產(chǎn)品：100W網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)分辨率是1280X720，兩個(gè)值相乘得出的就是像素值，就是近100萬(wàn)個(gè)像素點(diǎn)，130W的分辨率是1280X960,像素值就是近130萬(wàn)個(gè)像素點(diǎn)。從圖像效果上看，130W的效果比100W的要好一些。

 

 

圖像傳感器感光部分的大小，一般用英寸來(lái)表示。和電視機(jī)一樣，通常這個(gè)數(shù)據(jù)指的是這個(gè)圖像傳感器的對(duì)角線長(zhǎng)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(jì)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(lái)的圖像畫質(zhì)的變化。

 

 

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

 

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

 

 

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

 

 

既指單位時(shí)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(huì)產(chǎn)生動(dòng)畫效果，根據(jù)人類的視覺系統(tǒng)，當(dāng)圖片的播放速度大于15幅/秒（即15幀）的時(shí)候， 人眼就基本看不出來(lái)圖片的跳躍；在達(dá)到24幅/s～30幅/s（即24幀到30幀）之間時(shí)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(shuō)幀率表示圖形傳感器在處理場(chǎng)時(shí)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(yàn)。

 

 

是信號(hào)電壓對(duì)于噪聲電壓的比值，信噪比的單位用dB來(lái)表示。一般攝像機(jī)給出的信噪比值均是AGC(自動(dòng)增益控制)關(guān)閉時(shí)的值，因?yàn)楫?dāng)AGC接通時(shí)，會(huì)對(duì)小信號(hào)進(jìn)行提升，使得噪聲電平也相應(yīng)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?jī)?yōu)良，不出現(xiàn)噪聲，信噪比越大說(shuō)明對(duì)噪聲的控制越好。這個(gè)參數(shù)關(guān)系的圖像中噪點(diǎn)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(diǎn)狀的噪點(diǎn)就越少。

 

 

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(jìn)步，在其本身具備的集成性、低功耗、低成本的優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)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(rèn)為，未來(lái)的傳感器市場(chǎng)，應(yīng)是CMOS的天下。那么，到底哪一種傳感器更適合工業(yè)相機(jī)市場(chǎng)呢？或者哪一種傳感器更適應(yīng)以后的需求？

 

對(duì)于以上問題，答案是顯而易見的：在選擇某種芯片時(shí)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(gè)圖像傳感器市場(chǎng)上它們既是一種相互競(jìng)爭(zhēng)又是一種相互補(bǔ)充的關(guān)系，而有些時(shí)候，兩種傳感器之間是互補(bǔ)的，可以適用在不同的應(yīng)用場(chǎng)合。不論是哪種傳感器比較強(qiáng)大，他們技術(shù)的進(jìn)步無(wú)疑都將極大推動(dòng)圖像傳感器市場(chǎng)及機(jī)器視覺行業(yè)的發(fā)展。

 

本文來(lái)源于傳感器技術(shù)。