开通VIP，畅享免费电子书等14项超值服
首页
好书
留言交流
下载APP
联系客服
2021.09.11
图像传感器的定义及分类
图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的设备，它被广泛地应用于数码相机和其他电子光学设备中。早期的图像传感器采用模拟信号，如摄像管，随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，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。
图像传感器上有许多感光单元，它们可以将光线转换成电荷，从而形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，从而图像就越清晰，像素越高，意味着成像效果越清晰。图像传感器是利用光电器件的光电转换功能将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。与光敏二极管，光敏三极管等“点”光源的光敏元件相比，图像传感器是将其受光面上的光像，分成许多小单元，将其转换成可用的电信号的一种功能器件。
图像传感器产品主要分为CCD、CMOS传感器两种。
高性能CCD图像传感器
CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS（金属—氧化物—半导体）电容器组成的阵列。在P型或N型硅衬底生长一层很薄（约120NM）的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极），形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。
【基本结构】
CCD基本结构分为两部分：
1.MOS（金属—氧化物—半导体）光敏元阵列
电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。MOS电容器是构成CCD的最基本单元。
2.读出移位寄存器
【电荷耦合器件的工作原理】
【分辨率】
分辨率是指CCD有多少像素，也就是CCD上有多少感光组件，分辨率是图像传感器的重要特征。（像素分辨率长宽数值相乘，如：640X480=307200，就是30W像素）
CCD分辨率主要取决于CCD芯片的像素数。
其次，还受到传输效率的影响。高度集成的光敏单元可以获得高分辨率。但光敏单元的尺寸的减少将导致灵敏度的降低。
【CCD图像器件结构】
CCD作为图像敏感器使用时，其基本结构及工作方式有以下三种：
1.线阵CCD
图像从垂直于器件像元排列的方向扫描以记录在线阵的CCD上，读出时，每个成像的CCD像元，将电荷包转移到移位寄存器的一个单元（一个字，而不是一位），沿水平方式快速读出。
2.面阵帧转移CCD
3.面阵行转移CCD
【信号传输原理图】
线阵CCD信号传输：
面阵CCD信号传输：
【CCD基本工作原理】
基本功能：电荷的存贮和转移
特点：以电荷作为信号
1.信号电荷的产生
2.信号电荷的存储
当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子——空穴对空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。
3.电荷转移原理
CCD电荷耦合器件是以电荷为信号；
读出位移寄存器也是MOS结构；
有三个十分邻近的电极组成一个耦合单元，在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲。
4.电荷耦合信号输出
CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输出两种，以电压输出型为例：有浮置扩散放大器（FDA）、浮置栅放大器（FGA）
CCD是当今图像传感器的主流技术，也是技术最成熟、应用最广泛的可见光图像传感器，以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、分辨力高、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点，应用领域不断扩展，其在工业测控中也得到了广泛应用。
一、CCD的特点
1、高解析度（HighResolution）：像点的大小为m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寸到现在的1/9寸，像素数目已从初期的10万多增加的千万像素，以后还有急需增加的趋势。
2、低噪声（LowNoise）高敏感度：CCD具有很低的读出噪声和暗电流噪声，因此有比较高的信噪比（SNR），同时具有高敏感度0.0003、0.00056LUX甚至0LUX低光度的入射光也能检测到，其信号不会被噪声掩盖，所以CCD的应用基本不受气候限制。
3、动态范围广（HighDynamicRange）：通过数字处理的CCD信号，其动态范围可达到400%，专业级可达到600%，可同时适用于强光和弱光，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信号大小成良好的正比关系，能很好地反应被摄图像的细节层次，降低信号补偿处理成本。
5、光子转换效率高（HighQuantumEfficiency）：很微弱的入射光照射都能被记录下来，若配合影响增强管及投光器，即使在黑夜远处的景物也能拍摄到。
6、大面积感光（LargeFieldofView）：利用半导体技术已可制造大面积的D晶片，目前于传统胶片尺寸相当的35mm的晶片已经开始应用在数码相机中，成为取代专业光学相机的关键元件。
7、光谱响应广：从0.4~1.1μm，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；根据不同应用场合，需用滤色片或复合滤色片。
8、低影像失真：使用CCD感测器，其图像处理不会有失真的情形，使原物体表面信息忠实的反应出来。
9、体积小、重量轻：CCD具备体积小且重量轻的特性，应用广泛。
10、低耗能，不受强电磁场影响。
11、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，影像将变模糊。
二、CCD在工业检测领域的应用
1、可用于对象几何量的测量。几何量参数包括：长、宽、液位、面积等等都可以用CCD传感器技术来测量。另外，其它如进行多尺寸的检测和检查包装的尺寸、形状、商标位置与方向是否准确等许多场合也都可以采用CCD技术。
2、在线模式识别。如识别沿自动化生产线传送的分布离散物件或产品、检测零件的有无、装备在机器人上作为视觉系统、以及设备安装是否符合要求、位置是否准确等。
3、物体表面自动检测。工业生产中，表面状况是物体质量的一个重要因素，采用CCD技术对物体表面状况进行高精度的检测，不仅可以省略以往光学机构扫描法中的运动部件，而且检测色度高，系统结构小，能自动显示或记录被检测物体的表面状态等。因而可应用于工业生产中进行检测金属板、塑料、玻璃、纺织等物品的表面缺陷。
4、加工过程检测。因为CCD具有高速读出能力，因而也可以用于加工业过程中的检测，如机床加工中的位置测定是闭环控制不可缺少的一个环节，应用CCD技术能够实现加工设备位置高精度的实时控制。
CCD的中文全称是电荷耦合元件，是一种半导体成像器件。通过被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上的原理制成了CCD摄像机，其中的核心原件就是CCD图像传感器。
CCD图像传感器作为一种新型光电转换器现已被广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。作为摄像器件，与摄像管相比，CCD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。
CCD是数码相机的电子眼，它革新了摄影术，光可以被电子化地记录下来，取代了胶片。这一数字形式极大地方便了对图像的处理和发送，”诺贝尔奖评选委员会称赞说，“无论是我们大海中深邃之地，还是宇宙中的遥远之处，它都能给我们带来水晶般清晰的影像。”
CCD图像传感器发展历程
CCD图像传感器于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。
发明：
伴随着数码相机、带有摄像头的手机等电子设备风靡全球，人类已经进入了全民数码影像的时代，每一个人都可以随时、随地、随意地用影像记录每一瞬间。带领我们进入如此五彩斑斓世界的，就是美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯发明的CCD(电荷耦合器件)图像传感器。
发展历程：
三种CCD图像传感器的优缺点
CCD(电荷耦合器件)图像传感器体系可分为全帧(FF)、帧传输(FT)和行间传输(IT)三种CCD架构。
全帧(Full-Frame)CCD
半导体区域既可以作为光电元件，也可以作为电荷转移器件，这有点违反直觉，但这正是FFCCD中发生的事情。在集成过程中，像素位置响应入射光子积累电荷，在集成之后，电荷包垂直地通过像素位置向水平移位寄存器移动。
一般情况下，我们通过应用精心定时的时钟信号来获得CCD像素数据，这些时钟信号依次在器件的电荷传输结构中产生电位阱和电位屏障。在全帧CCD中，我们需要能够将这些控制电压应用到同样起光电探测器作用的区域，因此，栅极电极由透明多晶硅制成。
全帧CCD相对而言比较简单且易于制造，并且它们允许整个CCD表面具有光敏性。这使硅的给定区域中可以包含的像素数量最大化，同时也使每个像素中实际上能够将光子转换为电子的部分最大化。
这是全帧CCD的基本架构
帧传输(Frame-Transfer)CCD
一般来说，我们更喜欢用电子方式控制曝光，快门(像任何其他快速移动的高精度机械设备一样)使设计更加复杂，最终产品更加昂贵，整个系统更容易出现故障。在电池供电的应用中，驱动物理物体所需的额外能量也是不可取的。
FT-CCD允许我们保持FF-CCD的一些优点，同时(几乎)不需要快门。这是通过将FFCCD分成两个大小相等的部分来实现的。其中一个部分是普通的光敏成像阵列，另一个部分是屏蔽入射光的存储阵列。
在集成之后，用于所有像素的电荷包被快速地传输到存储阵列，然后在存储阵列中发生读出。当读取存储位置时，活动像素可以为下一图像累积电荷，这使得帧传输CCD能够获得比全帧CCD更高的帧速率。
说FT架构几乎消除了快门，因为无快门设计会遇到一个称为垂直涂抹的问题。电荷包从活动像素到存储位置的传输很快，但不是瞬间发生的，因此在垂直传输期间到达传感器的光可以改变图像信息。
FT架构的主要缺点是成本较高，并且相对于图像质量而言面积增大，因为基本上是使用FF传感器，然后将像素数减少两倍。
帧传输CCD在全帧架构中增加了一个存储阵列
线间传输(Interline-Transfer)CCD
我们需要的最后一个主要的架构改进是将集成电荷快速转移到存储区域，从而将污迹降低到可以忽略的程度。线间传输CCD通过提供与每个光活动位置相邻的存储(和传输)区域的网络来实现这一点。曝光完成后，传感器中的每个电荷包同时传输到非光敏垂直移位寄存器中。
因此，它的CCD能够以最小的拖影实现电子快门，并且像FT-ccd一样，它们可以在读出期间集成，从而保持较高的帧速率能力。然而，如果光生电荷在读出过程中从光活性柱泄漏到相邻的垂直移位寄存器中，则可能发生一些涂抹。如果应用程序不需要高帧速率，则可以通过延迟积分直到读出完成来消除此问题。
线间CCD不需要帧传输CCD中使用的大存储部分，但它们引入了一个新的缺点：传感器成为将光子转换为电子的效率较低的手段，因为每个像素位置现在都由光电二极管和垂直移位寄存器的一部分组成。换言之，部分像素对光不敏感，因此相对于落在像素区域上的光的量产生较少的电荷。这种灵敏度的损失通过在传感器上添加将入射光集中到每个像素的光活动区域的微小透镜而大大减轻，但是这些“微透镜”有其自身的一系列困难。
在行间传输架构中，存储(和垂直传输)区域位于光活性柱之间。
全帧CCD可能看起来是最“原始”的类型，但它们仍然是不需要高帧速率的系统中的首选，并且可以容忍闪光灯或机械快门的使用。帧传输CCD和线间传输CCD具有更多的用途，在某些应用中具有关键的优势。
CMOS图像传感器的工作原理：每一个CMOS像素都包括感光二极管(Photodiode)、浮动式扩散层(Floatingdiffusionlayer)、传输电极门(Transfergate)、起放大作用的MOSFET、起像素选择开关作用的M0SFET.在CMOS的曝光阶段，感光二极管完成光电转换，产生信号电荷，曝光结束后，传输电极门打开，信号电荷被传送到浮动式扩散层，由起放大作用的MOSFET电极门来拾取，电荷信号转换为电压信号。所以这样的CMOS也就完成了光电转换、电荷电压转换、模拟数字转换的三大作用，通过它我们就能把光信号转化为电信号，最终得到数字信号被计算机读取，这样，我们就已经拥有了记录光线明暗的能力，但这还不够，因为我们需要色彩。现代彩色CMOS的原理也很简单，直接在黑白图像传感器的基础上增加色彩滤波阵列(CFA)，从而实现从黑白到彩色的成像。很著名的一种设计就是BayerCFA（拜耳色彩滤波阵列）。
一个很有趣的事就是，我们用来记录光影的CMOS,和我们用来输出光影的显示器，原理也刚好是向相反的，CMOS把光转化为电信号最后以数字格式记录，显示器把解码的数字格式从电信号重新转化为光。光电之间的转换也就构成了我们人类数字影像的基础。
CMOS图像传感器（CIS）技术的创新不断拓展数字成像的发展前景，那么，如何才能确保CIS技术满足更高级应用的需求呢？本文首先让我们快速了解一下CIS技术的工作原理，然后再重点介绍CIS独有的五种制造工艺技术。
从最基本的层面上讲，CIS用来将相机镜头的光转换为数字数据，以创建可见的图像。当波长范围为400至700nm的可见光光能被聚集在硅衬底的光电二极管（PD）上时，CMOS图像传感器的硅表面将接收该光能，从而形成电子-空穴对。
在此过程中生成的电子通过浮动扩散（FD）转换为电压，然后再通过模数转换器（ADC）转换为数字数据。最后，数据被发送到处理器，以创建可视的数字描述，通常为图像。
作为电子设备的“眼睛”，图像传感器近年来成为市场瞩目的焦点，成为半导体行业炙手可热的一大领域。目前，CCD图像传感器和CMOS图像传感器（CIS）是被普遍采用的两种图像传感器。
CMOS图像传感器产业链主要由上游的芯片设计企业，中游的晶圆代工厂、封装企业和下游的模组厂商及终端客户组成。CMOS对供应链的拉动，在上、下、中游都有体现。
图像传感器产品类型
图像传感器两种主要的成像技术是CCD（电荷耦合器件）和CMOS。一般来看，CCD具有更低的噪声，更好的像素间均匀性，并且以较佳的图像质量而享有盛誉。CMOS传感器则提供了更高的集成度-降低了电路设计人员的工作复杂度-并降低了功耗。
还有一些其他类型的传感器，比如NMOS传感器用于光谱学，微型测光仪提供红外热成像的灵敏度，而特殊应用可能会使用连接到定制放大器电路的光电二极管阵列。
产品特点
CCD图像传感器作为摄像器件，与摄像管相比，具有有体积小、重量轻、功耗小、寿命长、工作电压低、灵敏度高、分辨率高、动态范围宽、光敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰等一系列优点。
与CCD相比，CMOS具有体积小、耗电量低、售价较低的优点。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，且品质可随着半导体技术的提升而进步。值得注意的是，全球晶圆厂的CMOS生产线较多，量产时也有利于成本的降低。
应用领域
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图像传感器除了大规模应用于数码相机外，还广泛应用于摄像机、扫描仪，以及工业领域等。
在搭建机器视觉系统时我们首要考虑的是图像传感器，如何选择我们需要了解CCD和CMOS图像传感器之间的区别。可能你更经常听到CMOS术语。那么，什么是CCD和CMOS图像传感器，它们有什么不同呢？
【图像传感器CCD和CMOS技术性能对比】
固体图像传感器(也称固体光电成像器件)有CCD与CMOS两种。CCD是“电荷耦合器件”(ChargeCoupledDevice)的简称，而CMOS是“互补金属氧化物半导体”(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)的简称。
1.信息读取方式的对比
CCD光电成像器件存贮的电荷信息，需要在二相或三相或四相时钟驱动脉冲的控制下，一位一位地实施转移后逐行顺序读取。
而CMOS光电成像器件的光学图像信息经光电转换后产生电流或电压信号，这个电信号不需要像CCD那样逐行读取，而是从CMOS晶体管开关阵列中直接读取的，可增加取像的灵活性。而CCD绝无此功能。
2.速度的对比
由上知，CCD成像器件需在二、三、四相时钟驱动脉冲的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，所以速度较慢。
而CMOS成像器件在采集光电图像信号的同时就可取出电信号，它并能同时处理各单元的图像信息，所以速度比CCD成像器件快得多。由于CMOS成像器件的行、列电极可以被高速地驱动，再加上在同一芯片上做A/D转换，图像信号能快速地取出，因此它可在相当高的帧速下动作。如有些设计用来做机器视觉的CMOS，声称可以高达每秒1000个画面的帧速。
3.电源及耗电量的对比
由于CCD的像素由MOS电容构成，读取电荷信号时需使用电压相当大(至少12V)的二相或三相或四相时序脉冲信号，才能有效地传输电荷。因此CCD的取像系统除了要有多个电源外，其外设电路也会消耗相当大的功率。有的CCD取像系统需消耗2~5W的功率。
而CMOS光电成像器件只需使用一个单电源5V或3V，耗电量非常小，仅为CCD的1/8~1/10，有的CMOS取像系统只消耗20~50mW的功率。
4.成像质量的对比
CCD成像器件制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅(sio2)隔离层隔离噪声，所以噪声低，成像质量好。
CMOS成像器件的灵敏度低，是因为像素部分面积被用来制作放大器等线路。在固定的芯片面积上，除非采用更精细的制造工艺，否则为了维持相当水准的灵敏度，成像器件的分辨率不能做得太高(反过来说，固定分辩率的传感器，芯片尺寸无法做得太小)。但目前，利用0.18μm制造技术己开发出了4096×4096超高分辨率的CMOS图像传感器。
总结:
什么是CCD成像传感器？
CCD代表电荷耦合器件。它是数字和机器视觉相机中用于捕捉静止和移动物体的一种传感器。CCD传感器捕捉光线，并将其转换为数字数据以转换成图像。在CMOS图像传感器引入之前，CCD传感器被工业机器视觉系统广泛用于质量检查，检查和控制。
什么是CMOS成像传感器？
CMOS代表互补金属氧化物半导体，这是一种为集成电路供电的技术。CMOS技术为当今的许多电子设备提供动力，包括电池，微处理器，数字和智能手机相机。与CCD传感器不同，CMOS传感器不需要特殊的制造技术。
CCD和CMOS图像传感器的区别
与较新的CMOS传感器不同，CCD传感器需要特殊的制造，而这通常更昂贵。因此，CCD传感器通常具有非常高的质量和光敏感性，能够以较低的噪音提供清晰的图像。
CMOS传感器制造和使用大多数微处理器使用的传统制造技术便宜。他们也被认为是更好的能源效率。根据JacobFraden的“现代传感器手册”，CCD传感器可以消耗高达100倍的相对CMOS图像传感器的功率。
简而言之，您很可能会找到一款配备CCD成像传感器的相机，其中光敏度是一个重要的因素，或者高质量，高分辨率的图像使所有的差异。
区分CCD与CMOS图像传感器
CCD传感器具有有限数量的节点来转换传感器上的每个像素电荷。这会导致处理速度变慢。但是，由于所有的像素都可以用于CCD结构上的光线捕捉，因此整体输出更加清晰明亮。
对于机器视觉而言，重要的KPI指处理速度和图像噪声。CMOS传感器允许每个像素进行数字转换，从而带宽更低。或者，高速CCD传感器不像高速CMOS成像器那样大规模并行。结果，每个CCD放大器具有更高的带宽，导致产生的图像上更大的噪声。这就是为什么大多数工业应用都使用最新的CMOS传感器，这种传感器可以被设计成产生噪声少得多的图像。
CMOS传感器和GigEVision
由于机器视觉和自动化高度依赖于速度，EMVA引入了符合成像系统的机器视觉标准，以确保使用最新技术加快处理速度。GigEVision是机器视觉系统的最新标准，可确保在极高速度下实现最佳成像。
然而，CMOS图像传感器已经进一步遵从10GigE机器视觉技术。10GigEVision是最先进的通信协议，比前一代处理速度高出十倍。各种CMOS传感器已被用于制造10GigE机器视觉系统，包括最新的SonyPregiusCMOS图像传感器
结合CMOS成像器的低噪声，高速度和高功效性能，10GigE机器视觉系统是旨在满足超高速和快速移动环境中的成像要求的性能强大的设备。
CMOS传感器的应用范围也越来越广泛，包括手机、数码相机、视频会议、电脑摄像头、智能型安保系统、汽车倒车视像雷达等。拿工业生产来讲，红外图像传感器正在成为许多生产流程中的关键部分。随着红外图像传感器成本的降低以及各类新技术的诞生，采用了新架构和新算法的传感器在工业生产中发挥的作用越来越大，既能节约成本，又能实现自动化。
近年来对于CMOS图像传感器大的拉动，莫过于智能手机的普及。随着CMOS图像传感器技术的进步，包括背照式、堆栈式等技术的兴起，以及双摄像头设计陆续出现并成为智能手机的新卖点。
今后，CMOS图像传感器的市场销售额有望进一步增长。从产品的技术发展趋势来看，无论是CCD还是CMOS，其体积小型化、智能化、高像素化仍是业界积极研发的目标。将图像传感器激光雷达组合来提供解决方案，有望赢得更多汽车厂商的青睐。
相机视觉系统中，最重要的莫过于将检测目标的光学图像，聚焦于获得所有图像信息的处理与分析。无论是CCD还是CMOS图像传感器，作为视觉系统中光电转换的核心部件，镜头的质量直接决定着视觉系统的整体性能，因此，选择合适的镜头、设计成像光路是做好视觉系统的重要环节之一。