圖像傳感器的分類(lèi)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 維空間的光強分布（光學(xué)圖像）。能夠將二維光強分布的光學(xué)圖像轉變成一維時(shí)序電信號的傳感器稱(chēng)為圖像傳感器。圖像傳感器輸出的一維時(shí)序信號經(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。當然，圖像傳感器與圖像顯示器之間的信號傳輸與接收都要遵守一定的規則，這個(gè)規則被稱(chēng)為制式。例如，廣播電視系統中規定的規則稱(chēng)為電視制式（NTSC、PAL、SECAM），還有其他的一些專(zhuān)用制式。按電視制式輸出的——維時(shí)序信號被稱(chēng)為視頻信號；本節主要討論從光學(xué)圖像到視頻信號的轉換原理，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分布（光學(xué)圖像）。能夠將二維光強分布的光學(xué)圖像轉變成一維時(shí)序電信號的傳感器稱(chēng)為圖像傳感器。

　　二、圖像傳感器的分類(lèi)

　　圖像傳感器，是組成數字攝像頭的重要組成部分。根據元件的不同，可分為CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導體元件）兩大類(lèi)。

　　1、CCD圖像傳感器

　　1969年，美國貝爾實(shí)驗室的w.s.boyle與g.e.smith將可視電話(huà)和半導體泡存儲技術(shù)結合，率先發(fā)明了CCD （charged coupled device，電荷耦合件）元件本身開(kāi)始是被當作單純的存儲器使用 。由于它能存儲并傳輸信號電荷，CCD還可以利用內光電效應來(lái)拍攝并存儲圖象，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，工作速度等指標上取得突破性進(jìn)展，其應用正從一維、二維向三維發(fā)展，其光波范圍從紫外區到紅外區，CCD已成為光子探測及視頻采集領(lǐng)域最重要的技術(shù)，普遍認為是20世紀70年代以來(lái)出現的最重要的半導體器件之一，得到了廣泛應用。

　　如今CCD是應用在攝影攝像方面的高端技術(shù)元件，CMOS則應用于較低影像品質(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攝像頭對光源的要求要高一些，但現在該問(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

　　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、光譜響應范圍寬、工作電壓低、功耗小、壽命長(cháng)、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到，其訊號不會(huì )被掩飾，使CCD的利用較不受天候拘謹。 靜態(tài)范疇廣（High Dynamic Range），同時(shí)偵測及辨別強光跟弱光，進(jìn)步體系情況的應用范疇，不因亮度差別年夜而形成旌旗燈號反差景象。 精良的線(xiàn)性特征曲線(xiàn)（Linearity），入射光源強度跟輸出訊號年夜小成精良的正比關(guān)聯(lián)，物體資訊不致喪失，下降旌旗燈號彌補處置本錢(qián)。

　　3、CMOS圖像傳感器

　　與CCD有著(zhù)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、行驅動(dòng)器、列驅動(dòng)器、時(shí)序控制邏輯、AD轉換器、數據總線(xiàn)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)程一般可分為復位、光電轉換、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字信號處理電路，如AD轉換器、自動(dòng)曝光量控制、非均勻補償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，為了進(jìn)行快速計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，從而組成單片數字相機及圖像處理系統。

　　CMOS圖像傳感器于80年代發(fā)明以來(lái)，由于當時(shí)CMOS工藝制程的技術(shù)不高，以致于傳感器在應用中的雜訊較大，商品化進(jìn)程一直較慢。時(shí)至今日，CMOS傳感器的應用范圍也開(kāi)始非常的廣泛，包括數碼相機 、PC Camera、影像電話(huà)、第三代手機、視訊會(huì )議、智能型保全系統、汽車(chē)倒車(chē)雷達、玩具，以及工業(yè)、醫療等用途。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

　　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），以到達下降整機出產(chǎn)本錢(qián)的目標。

　　5、CCD與CMOS圖像傳感器的區別

　　CCD和CMOS在制造上的主要區別是CCD是集成在半導體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱(chēng)做金屬氧化物的半導體材料上，工作原理沒(méi)有本質(zhì)的區別。 從制造工藝上說(shuō)CCD制造工藝較復雜，只有少數幾個(gè)廠(chǎng)商，如索尼、松下、夏普等掌握這種技術(shù)，因此CCD攝像機的價(jià)格會(huì )相對比較貴。事實(shí)上經(jīng)過(guò)技術(shù)改造，目前CCD和高級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(chǎng)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確。而普通CMOS的產(chǎn)品往往通透性一般，對實(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用。

　　在原理上，CMOS的信號是以點(diǎn)為單位的電荷信號，而CCD是以行為單位的電流信號，前者更為敏感，速度也更快，更為省電?，F在高級的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)型的攝像機使用廉價(jià)的低檔CMOS芯片，成像質(zhì)量比較差。普及型、高級型及專(zhuān)業(yè)型攝像機使用不同檔次的CCD，個(gè)別專(zhuān)業(yè)型或準專(zhuān)業(yè)型數碼相機使用高級的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。因為像素尺寸小則圖像產(chǎn)品的分辨率越高、清晰度越好、體積越小，其應用面更廣泛。