图像传感器知识大全

图像传感器*概述

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。

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。

图像传感器是传感技术中最主要的一个分支，广泛应用于各种领域，它是PC 机多 媒体世界今后不可缺少的外设，也是保安器件，包括光电鼠标、支持数码照相技术的手机以及消费电子、医药和工业市场中的各种新应用。每种应用都有其独特的客户系统要求。

图像传感器*特性参数

• 1. 灵敏度：传感器对单位光照积累信号的能力。

• 一般来说，由于CMOS传感器的增益部分可以在内部轻易实现，因此它比CCD要或多或少地占些优势。两者内部的互补晶体管电路可以允许低功耗、高增益的放大输出，CCD相对要消耗更多的能量。某些CCD生产商正在通过最新的读出放大技术改善这种状况。

• 2. 动态范围：传感器象素达到饱和时的电压输出于其能够响应的最低光照的电压输出的比值。

• 通常CCD的动态范围比CMOS传感器高出约1倍左右。同时，CCD器件由于芯片内部集成器件少而有着更低的噪声输出。在外部，通过对CCD芯片的制冷技术、采用更好的光学系统，可以实现比CMOS器件更高的分辨率和适应性。

• 3. 象素均匀性：在理想均匀光照条件下各个象素输出的差异。

• 理想状态下各个象素在均匀光照的条件下的输出应当是相同的，但是由于现有的晶片工艺在空间上的差异，尤其是其中的暇疪和放大器参数的不一致，造成的象素输出是非均匀的。需要注意的是在光照条件下的均匀性和接近全暗条件下的均匀性(译者注：后者为暗电流噪声)是两个不同的概念。CMOS传感器在上述两种条件下的均匀性均处于劣势，这是由于它的每个象素都包含一个开环输出放大器，而放大器的增益、偏置等参数在目前的晶片工艺下无法达到很高的一致性。某些人甚至预测随着几何尺寸的缩减和差异的增加，CCD将最终击败CMOS传感器。

• 尽管如此，基于反馈的放大器结构可以在光照条件下对增益和均匀性作最佳的折衷处理。这种放大器结构可以使得CMOS传感器的光照均匀性接近CCD传感器的水平。

• 另一方面，CMOS的放大器在偏置参数上仍无法保证均匀性，这主要的表现就是无光照条件下的均匀性参数。尽管CMOS的生产商采取各种方法降低这种非均匀性，但是现在它仍然无法达到CCD的水平。这个参数在高速应用中尤为重要，因为这种非均匀性在高速使用时将对整体输出起到显著影响

• 4. 快门速度：开始和结束曝光的能力。

• 这是基本上所有消费级和大部分工业级CCD的标准参数，尤其是在隔行转移器件中，它也是机器视觉应用中一个极重要的参数。CCD可以采用高级的电子快门技术，在损失最小的填充率(译者注：即有效曝光区域和传感器有效感光区域物理尺寸的比值)上达到最佳的折衷，即使是小象素的CCD传感器也是如此。

• 5. 速度

• 由于CMOS的驱动部分集成在器件内部，减少了诸如电感、电容及传输延时等，因此通常可以达到比CCD更高的运行速度。目前CMOS器件的速度并没有达到其最高水平，这是因为早期关注的焦点是在对速度要求不高的消费领域的应用，而CCD通常应用于工业、科学和医疗领域。

• 6. 窗口功能

• CMOS传感器的一个特殊的功能就是允许读出图象阵列的一部分。这有利于提高其扫描速度。在某些场合的应用中，例如对短时间内物体轨迹高精度跟踪的应用，需要利用CMOS器件的这个功能。CCD传感器通常无法实现这个功能。

• 7. 抗溢出功能：能够排耗局部曝光过度的电荷积累而不影响图象其它区域的能力。

• CMOS传感器基本上天然的就是抗溢出的。而CCD则需要增加额外的工程设计达到这个目标。许多针对消费应用的CCD具有抗溢出功能，而针对科学应用的则没有这个功能。

• 8. 偏置和时钟

• CMOS传感器通常只需要一个偏置电压和一个低电压时钟信号。非标准的偏置在芯片内部产生并与用户接口隔离，除非有一些噪声信号泄漏出来。CCD则通常需要相对高的偏置电压，现代的CCD器件工艺也可以在低电压时钟下工作。

图像传感器*工作原理

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。按电视制式输出的——维时序信号被称为视频信号;本节主要讨论从光学图像到视频信号的转换原理，即图像传感器的原理。

1 图像传感器的基本结构 图像传感器的种类很多，根据图像的分解方式可将图像传感器分成三种类型，即光机扫光电图像传感器、电子束扫描图像传感器和固体自扫描图像传感器。

2 固体自扫描图像传感器 固体自扫描图像传感器是20世纪70年代发展起来的新型图像传感器件，如面阵CCD器件，CM0S图像传感器件等;这类器件本身只有自扫描功能：例如，面阵CCD固体摄像器件的光敏面能够将成像于其上的光学图像转换成电荷密度分布的电荷图像。电荷图像可以在驱动脉冲的作用下按照一定的规则(如电视制)一行行地输出，形成图像信号 (或视频信号)。 上述三种扫描方式中.电子束扫描方式由于电子束摄像管逐渐被固体图像传感器所取代已逐渐退出舞台. 目前光机扫描方式与固体自扫描方式在光电图像传感器中占据主导地位，们是，在有些应用中通过将一些扫描入式组合起来，能够获得性能更为优越的图像传感器、例如，将几个线阵拼接成图像传感器或几个面阵图像传感器拼接起来，再利用机械扫描机构，形成一个视场更大、分辨率更高的图像传感器，以满足人们探索宇宙奥秘的需要。扫描方式有逐行扫描和隔行扫描。 3 图像传感器的基本技术参数 图像传感器的基本技术参数一般包括图像传感器的光学成像物镜与光电成像器件的参数。 (1) 成像物镜的焦距f 成像物镜的焦距决定了被摄景物在光电成像器件上所成像的大小，在景物相同的情况下，焦距越长，所成的像越大。 (2) 相对孔径fD 成像物镜的相对孔径为物镜入瞳的直径与其焦距之比。相对孔径大小决定了物镜的分辨率、像面照度和成像物镜成像质量。 (3)视场角2ω 成像物镜的视场角决定了能在光电图像传感器上成像良好的空间范围。要求成像物镜所成的景物图像要大于图像传感器的有效面积： 以上这二个参数是相互制约的，不可能同时提高，在实际应用中要根据情况适当选择。

图像传感器*分类

以产品类别区分，图像传感器产品主要分为CCD( Charge Coupled Device ，电荷耦合元件)、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor ，金属氧化物半导体元件)以及CIS(Contact Image Sensor) 接触式图像传感器三种。这里将主要简介CCD以及CMOS传感器的技术和产业发展现状。

图像传感器*CCD图像传感器

CCD：电荷藕合器件图像传感器CCD(Charge Coupled Device)，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，根据需要和想像来修改图像。

CCD(Charged Coupled Device)于1969年在贝尔试验室研制成功，之后由日商等公司开始量产，其发展历程已经将近30多年，从初期的10多万像素已经发展至目前主流应用的500万像素。CCD又可分为线型(Linear)与面型(Area)两种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机 (DSC)、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。

CCD优点

一般认为，CCD传感器有以下优点：

1.　高解析度

(High Resolution)：像点的大小为μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸，像素数目从初期的10多万增加到现在的400～500万像素;

2.　低杂讯

(Low Noise)高敏感度：CCD具有很低的读出杂讯和暗电流杂讯，因此提高了信噪比(SNR)，同时又具高敏感度，很低光度的入射光也能侦测到，其讯号不会被掩盖，使CCD的应用较不受天候拘束;

3.　动态范围广

(High Dynamic Range)：同时侦测及分辨强光和弱光，提高系统环境的使用范围，不因亮度差异大而造成信号反差现象。

4.　良好的线性特性曲线

(Linearity)：入射光源强度和输出讯号大小成良好的正比关系，物体资讯不致损失，降低信号补偿处理成本; 　　高光子转换效率(High Quantum Efficiency )：很微弱的入射光照射都能被记录下来，若配合影像增强管及投光器，即使在暗夜远处的景物仍然还可以侦测得到;

5.　大面积感光

(Large Field of View)：利用半导体技术已可制造大面积的CCDD晶片，目前与传统底片尺寸相当的35mm的CCD已经开始应用在数码相机中，成为取代专业有利光学相机的关键元件; 　　光谱响应广(Broad Spectral Response)：能检测很宽波长范围的光，增加系统使用弹性，扩大系统应用领域;

6.　低影像失真

(Low Image Distortion)：使用CCD感测器，其影像处理不会有失真的情形，使原物体资讯忠实地反应出来;

7.　体积小、重量轻

CCD具备体积小且重量轻的特性，因此，可容易地装置在人造卫星及各式导航系统上;

8.　低秏电力

不受强电磁场影响;

9.　电荷传输效率佳：该效率系数影响信噪比、解像率，若电荷传输效率不佳，影像将变较模糊;

10.　可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。

传统CCD

传统CCD使用的是矩形的感光单元，而富士公司2年前研制的“SuperCCD(超级蜂窝结构)使用的是八边形的感光单元，使用了蜂巢的八边形结构，因此其感光单元面积要高于传统CCD。这样会获得三个好处，一是可以提高CCD的感光度、二是提高动态范围、三是提高了信噪比。这三个优点加上 SuperCCD更高的生成像素成为富士公司在数码相机产品上的最大卖点。

图像传感器*CMOS图像传感器

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，互补金属氧化物半导体

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N(带–电) 和 P(带+电)级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。 CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器(Passive Pixel Sensor CMOS)与主动式像素传感器(Active Pixel Sensor CMOS)。

CMOS图像传感器对比

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)。

与CCD相比，CMOS具有体积小，耗电量不到CCD的1/10，售价也比CCD便宜1/3的优点。

与CCD产品相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且品质可随著半导体技术的提升而进步。同时，全球晶圆厂的 CMOS生产线较多，日后量产时也有利于成本的降低。另外，CMOS传感器的最大优势，是它具有高度系统整合的条件。理论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暂存器、时序控制、CDS、ADC…等，都可放在集成在一颗晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片(Back-end Chip)、快闪记忆体(Flash RAM)等也可整合成单晶片(SYSTEM-ON-CHIP)，以达到降低整机生产成本的目的。

正因为此，目前投入研发、生产的厂商较多，美国有30多家，欧洲7家，日本约8家，韩国1家，台湾有8家。而居全球翘楚地位的厂商是 Agilent(HP)，其市场占有率51%、ST(VLSI Vision)占16%、Omni Vision占13%、现代占8%、Photobit约占5%，这五家合计市占率达93%。

根据In-Stat统计资料显示，CMOS 传感器的全球销售额到2004年可望突破18亿美元，CMOS将以62%的年复合成长率快速成长，逐步侵占CCD器件的应用领域。特别是在去年快速发展的手机应用领域中，以CMOS图像传感器为主的摄相模块将占领其80%以上的应用市场。

在业界，与CCD传感器不同另一点是CMOS目前占据市场主要地位的是北美厂商，前三大厂商为Agilent、OmniVision和Photobit。因此图像传感器业界的技术、产业竞争，实质上是日本和北美双雄争霸的局面。

CMOS线阵图像传感器DLIS-2K ---世界上最快的单端口重新配置的线性图像传感器 测量范围：200nm~1100nm 输出信号：数字型 DLIS-2K线阵图像传感器包括4行像素，每行有2081个光学像素和16黑像素。其中3行为4 x 4 micron方形像素，另一行为4x32 micron长方形像素。通过运用 Correlated Multi-Sampling (CMS)方法，其等效灵敏度可达160 V/lux-s。每一行可任意控制曝光及输出。此外，背景采样可使用常规 Correlated Double Sampling (CDS)值或设为用户控制的环境光值。传感器由3线串口控制，集成了我们的专利技术 high speed Distributed 8 to 11 bit Analog to Digital Converter (D/AD), XtremeIX 和 Active column sensor technologies 来最大的实现应用功能。

图像传感器*应用范围

图像传感器属于光电产业里的光电元件类，随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，目前市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾划着未来人类的日常生活的美景。以其在日常生活中的应用，无疑要属数码相机产品，其发展速度可以用日新月异来形容。短短的几年，数码相机就由几十万像素，发展到400、500万像素甚至更高。不仅在发达的欧美国家，数码相机已经占有很大的市场，就是在发展中的中国，数码相机的市场也在以惊人的速度在增长，因此，其关键零部件—— 图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。以产品类别区分，图像传感器产品主要分为CCD、CMOS以及CIS传感器三种。本文将主要简介CCD以及CMOS传感器的技术和产业发展现状。