图像传感器的分类及原理 - 安防知识网

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（焦平面），并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。图像传感器输出的一维时序信号经过放大和同步控制处理后，送给图像显示器，可以还原并显示二维光学图像。当然，图像传感器与图像显示器之间的信号传输与接收都要遵守一定的规则，这个规则被称为制式。例如，广播电视系统中规定的规则称为电视制式（NTSC、PAL、SECAM），还有其他的一些专用制式。

　　一、图像传感器的原理

　　定义：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。

　　二、图像传感器的分类

　　图像传感器，是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。

　　1、CCD图像传感器

　　1969年，美国贝尔实验室的w.s.boyle与g.e.smith将可视电话和半导体泡存储技术结合，率先发明了CCD （charged coupled device，电荷耦合件）元件本身开始是被当作单纯的存储器使用。由于它能存储并传输信号电荷，CCD还可以利用内光电效应来拍摄并存储图象，具备图像传感器的功能。

　　经过30多年研究与开发，CCD在像素集成度、分辨力、灵敏度，工作速度等指标上取得突破性进展，其应用正从一维、二维向三维发展，其光波范围从紫外区到红外区，CCD已成为光子探测及视频采集领域最重要的技术，普遍认为是20世纪70年代以来出现的最重要的半导体器件之一，得到了广泛应用。

　　如今CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，CMOS则应用于较低影像品质的产品中，它的优点是制造成本较CCD更低，功耗也低得多，这也是市场很多采用USB接口的产品无须外接电源且价格便宜的原因。尽管在技术上有较大的不同，但CCD和CMOS两者性能差距不是很大，只是CMOS摄像头对光源的要求要高一些，但现在该问题已经基本得到解决。目前CCD元件的尺寸多为1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜选择元件尺寸较大的为好。图像传感器又叫感光元件。

　　2、CCD图像传感器的优势

　　CCD作为固态图像传感器有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点。

　　具高敏感度，很低光度的入射光也能侦测到，其讯号不会被掩饰，使CCD的利用较不受天候拘谨。静态范畴广（High Dynamic Range），同时侦测及辨别强光跟弱光，进步体系情况的应用范畴，不因亮度差别年夜而形成旌旗灯号反差景象。精良的线性特征曲线（Linearity），入射光源强度跟输出讯号年夜小成精良的正比关联，物体资讯不致丧失，下降旌旗灯号弥补处置本钱。

　　3、CMOS图像传感器

　　与CCD有着同样历史渊源的CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器，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。

　　在CMOS图像传感器芯片上还可以集成其他数字信号处理电路，如AD转换器、自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等，为了进行快速计算甚至可以将具有可编程功能的DSP器件与CMOS器件集成在一起，从而组成单片数字相机及图像处理系统。

　　CMOS图像传感器于80年代发明以来，由于当时CMOS工艺制程的技术不高，以致于传感器在应用中的杂讯较大，商品化进程一直较慢。时至今日，CMOS传感器的应用范围也开始非常的广泛，包括数码相机、PC Camera、影像电话、第三代手机、视讯会议、智能型保全系统、汽车倒车雷达、玩具，以及工业、医疗等用途。在低档产品方面，其画质质量已接近低档CCD的解析度，相关业者希望用CMOS器件取代CCD的努力正在逐渐明朗。CMOS传感器有可细分为：被动式像素传感器CMOS（Passive Pixel Sensor CMOS）与主动式像素传感器CMOS（Active Pixel Sensor CMOS）。

　　4、CMOS图像传感器的优势

　　CMOS传感器的最年夜上风，是它存在高度体系整合的前提。实践上，全部图像传感器所需的功效，比方垂直位移、程度位移暂存器、时序把持、CDS、ADC等，都可放在集成在一颗晶片上，乃至于全部的晶片包含后端晶片（Back-end Chip）、快闪影象体（Flash RAM）等也可整分解单晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以到达下降整机出产本钱的目标。

　　5、CCD与CMOS图像传感器的区别

　　CCD和CMOS在制造上的主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上，工作原理没有本质的区别。从制造工艺上说CCD制造工艺较复杂，只有少数几个厂商，如索尼、松下、夏普等掌握这种技术，因此CCD摄像机的价格会相对比较贵。事实上经过技术改造，目前CCD和高级CMOS的实际效果的差距已经非常小了。而且CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD，所以很多低档摄像头生产厂商采用普通CMOS感光元件作为核心组件。

　　成像方面，在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而普通CMOS的产品往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好，由于自身物理特性的原因，普通CMOS的成像质量和CCD还是有一定差距。但由于低廉的价格以及高度的整合性，因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用。

　　在原理上，CMOS的信号是以点为单位的电荷信号，而CCD是以行为单位的电流信号，前者更为敏感，速度也更快，更为省电。现在高级的CMOS并不比一般CCD差，但是CMOS工艺还不是十分成熟，普通的CMOS一般分辨率较低而成像质量也较差。

　　目前，许多低档入门型的摄像机使用廉价的低档CMOS芯片，成像质量比较差。普及型、高级型及专业型摄像机使用不同档次的CCD，个别专业型或准专业型数码相机使用高级的CMOS芯片。代表成像技术未来发展的X3芯片实际也是一种CMOS芯片。

　　图像传感器又分为1/2“，1/3”，1/4“之分。1/2最好。目前以1/3和1/4为多。从产品的技术发展趋势看，无论是CCD还是CMOS，其体积小型化及高像素化仍是业界积极研发的目标。因为像素尺寸小则图像产品的分辨率越高、清晰度越好、体积越小，其应用面更广泛。