一文读懂图像传感器

文 | 传感器技术（WW_CGQJS）

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，扫描仪等的中心部件。目前，这个快速增长的市场往常曾经延伸到了玩具、手机、PDA、汽车和生物等范畴。

图像传感器

图像传感器定义及种类

图像传感器应用

成像物镜将外界照明光映照下的（或自身发光的）景物成像在物镜的像面上，构成二维空间的光强散布（光学图像）。能够将二维光强散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。

依据元件的不同，图像传感器通常可分为CCD（Charge-Coupled Device，电荷耦合器件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。

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），普通用在扫描仪中。由于是接触式扫描(必须与原稿坚持很近的距离)，只能运用LED光源，其景深、分辨率以及颜色表示目前都赶不上CCD感光器件，也不能用于扫描透射片。

接触式CIS

随着上世纪70年代和80年代固态成像应用的飞速展开，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技术不时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疾速展开，大有青出于蓝之势。CMOS在中端、低端应用范畴提供了能够与CCD相媲美的性能，而在价钱方面的确明显占有优势，随着技术的展开，CMOS在高端应用范畴也将占领一席之地。

图像传感器的工作原理

图像传感器的工作原理

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。

CCD及CMOS的展开历史和特性

CCD是在1969年由美国贝尔实验室(Bell Labs)的维拉波义耳(Willard S. Boyle)和乔治史密斯(George E. Smith)所发明。

贝尔实验室

当时贝尔实验室正在展开影像电话和半导体气泡式内存。将这两种新技术分离起来后，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名义传送电荷，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名义产生电荷，而组成数位影像。

到了70年代，贝尔实验室的研讨员曾经能用简单的线性装置捕获影像，CCD就此降生，CCD目前依旧普遍的应用在数码相机以及天文学等范畴里。

我们都知道CCD是一种数码时期中替代传统胶片的介质，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化过来的。

它运用一种高感光度的半导体资料制成，能把光线转变成电荷，经过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过紧缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而能够轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处置伎俩，依据需求来修正图像。

CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD名义遭到光线映照时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，一切的感光单位所产生的信号加在一同，就构成了一幅完好的画面。

CCD的比较显著特性是：

1.技术成熟

2.成像质量高

3.灵活度高，噪声低，动态范围大;

4.响应速度快，有自扫描功用，图像畸变小，无残像;

5.应用超大范围集成电路工艺技术消费，像素集成度高，尺寸精确。

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。

我们能够把我们所拍摄到的画面了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，画面就会越明晰，假如CCD没有足够的像素的话，拍摄出来的画面的明晰度就会大受影响。

因而，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的像素数后又一定会招致一个问题，那就是CCD制造成本的增加以及废品率降落。

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本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。

CMOS

CMOS的制造技术和普通计算机芯片没什么差别，主要是应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置芯片纪录和转换成影像。后来发现CMOS经过加工也能够作为数码摄影中的图像传感器。

CMOS

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。其工作过程普通可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。

CMOS的光电信息转换功用与CCD的基原形似，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构成

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、价钱低等特性。

正是思索到CMOS传感器的制造成本以及废品率都要高于CCD传感器，所以几个知名厂商自2000起就开端加大对CMOS这种传感器的研发工作，目前CMOS的长大率曾经抵达了几倍于CCD的水平。

我们能够看到，即便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运用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，我们基本曾经很难再看到CCD的踪迹了。

固然运用CMOS传感器会节约相机的成本，但是成像质量关于相机来说依旧是最重要的，CMOS相比起CCD来说最大的致命伤就是画质，这是由于早期的CMOS有个明显的缺陷，就是在电流变更时频率变快，因而不可避免的会产生热量，最终构成画面呈现杂点影响成像质量。

假如拿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消费，而随着CMOS的缺陷在不时的被完善。

目前一些中画幅数码相机或数码后背依旧在运用CCD传感器，这是由于不同产品对画质有着不同的请求，所以那些中画幅的数码产品也的价钱也常常会高出普通数码相机许多。

因而，能够说未来的相机市场的主要展开方向依旧会是以CMOS作为中心，并在这个基础上不时进步CMOS的分辨率以及灵活度等等。

工业相机

时期在进步，节约成本是每个商家都在坚持的经商规律，CCD的未来不一定在相机市场里，在其他范畴，CCD也会仰仗着自身的优势而被普遍的运用。

科技不时展开，我置信在未来的某一天，一定会有更多种类的传感器呈现，这也只是时间的问题，到那时我们回望过去，看看我们曾经阅历过的胶片时期、CCD时期和CMOS时期，一定会由衷的慨叹科技一日千里的飞速展开。

CCD 与 CMOS 的比较

1、成像过程

CCD 和 CMOS 运用相同的光敏资料，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，整个电路十分复杂，读出速率慢；CMOS 则以相似 DRAM的方式读出信号，电路简单，读出速率高。

2、集成度

采用特殊技术的CCD读出电路比较复杂，很难将A/D转换、信号处置、自动增益控制、精密放大和存储功用集成到一块芯片上，普通需求 3～8 个芯片组合完成，同时还需求一个多通道非规范供电电压。

借助于大范围集成制造工艺，CMOS图像传感器能十分容易地把上述功用集成到单一芯片上，多数CMOS图像传感器同时具有模仿和数字输出信号。

3、电源、功耗和体积

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 芯片能够做的相当小。

4、性能指标

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

CCD与CMOS图像传感器的六大硬件技术指标

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别呢？运用同样的配件，为什么晚上的效果也不同呢？其实这是与我们运用的sensor（即图像传感器）的硬件技术指标相关的，不论是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。

像素：

传感器上有许多感光单元，它们能够将光线转换成电荷，从而构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，从而图像就越明晰，像素越高，意味着成像效果越明晰。

像素

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。

靶面尺寸：

图像传感器感光部分的大小，普通用英寸来表示。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长度，如 常见的有1/3英寸，靶面越大，意味着通光量越好，而靶面越小则比较容易取得更大的景深。

好比1/2英寸能够有比较大的通光量，而1/4英寸能够比较容易取得较大的景深。”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更。

感光度：

即是经过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，夜间监控的时分特别显得重要。

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。

电子快门：

是对对照相机的机械快门功用提出的一个术语。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聚，感光越长，信号电荷积聚时间也越长，输出信号电流的幅值也越大。电子快门越快，感光度越低，合适在强光下拍摄。

帧率：

既指单位时间所记载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，依据人类的视觉系统，当图片的播放速度大于15幅/秒（即15帧）的时分， 人眼就基本看不出来图片的腾跃；在抵达24幅/s～30幅/s（即24帧到30帧）之间时就曾经基本察觉不到闪烁现象了。

每秒的帧数(fps)或者说帧率表示图形传感器在处置场时每秒钟能够更新的次数。高的帧率能够得到更流利、更真切的视觉体验。

信噪比：

是信号电压关于噪声电压的比值，信噪比的单位用dB来表示。普通摄像机给出的信噪比值均是AGC(自动增益控制)关闭时的值，由于当AGC接通时，会对小信号中止提升，使得噪声电平也相应进步。

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，则图像质量优秀，不呈现噪声，信噪比越大阐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，给人觉得画面越洁净，夜视的画面中点状的噪点就越少。

结语：

目前，CCD在性能方面还依旧优于CMOS。不外，随着CMOS图像传感器技术的不时进步，在其自身具备的集成性、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传感器差距不时减少。以至有些业内人士以为，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合适工业相机市场呢？或者哪一种传感器更顺应以后的需求？

关于以上问题，答案是显而易见的：在选择某种芯片时有很多需求权衡思索的问题。

CCD和CMOS图像传感器各有利害，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弥补的关系，而有些时分，两种传感器之间是互补的，能够适用在不同的应用场所。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进图像传感器市场及机器视觉行业的展开。

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