图像传感器技术相关知识你知道多少？

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图像传感器又称光电转换器件，它通常要完成电视系统的两个基本转换：光电转换与电视扫描。摄像机的摄像器件即是一种图像传感器。

视频监控用图像传感器根据元件不同主要有CCD和CMOS两种。CCD图像传感器器件是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，而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低，功耗也较低。

CCD图像传感器介绍

（一）CCD摄像器件的基本原理

CCD芯片根据投射到其靶面上光强的大小，相应的在其上积聚相应的电荷，将电荷存储及转移并周期性放电，产生表示一幅幅画面信息的电信号，经过滤波、放大处理，通过摄像头的输出端子输出标准的复合视频信号，送往监视器显示。


（二）CCD摄像器件的功能

光电转换功能：每个单元在接受光照时生成与入射光强度成正比的电荷，根据这一功能可以把CCD的基本单元理解为一个光敏二极管。

存储电荷功能：每个单元都可通过电极电压的控制，将电荷存储在其形成的势阱中，就像电容器一样，电荷的存储也是一个积累的过程。使得器件在曝光期问能够不断把电荷积累起来，与单元总的被辐射光照强度成正比。

（三）CCD器件质量简易判别方法

CCD芯片因生产途径的不同，其采集效果也不完全相同。可以通过一些简易的方法来初步判别其质量的优劣。

通过视频电缆连接一个摄像机到监视器上，接通电源。首先关闭镜头光圈，审视图像全黑时是否有亮点和屏幕上的雪花点大小，以少于显示屏规定的亮点数和雪花点越小的CCD品质为优。对于彩色监视器，打开光圈监视一个色彩鲜艳的静物，审视监视器上的图像是否偏色、扭曲、色彩或灰度是否平滑等。质优的CCD有较好的色彩还原性能，而残次品则会出现偏色现象。

CMOS图像传感器介绍

（一）CMOS摄像器件的工作原理

CMOS摄像器件的原理是利用外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。CMOS摄像器件其像素单元的工作原理及过程如下：

(l)首先进入“复位状态”，此时打开开关晶体管。电容被充电至反向击穿电压Vm，二极管处于反向状态；

(2)然后进入“取样状态”。这时关闭开关晶体管，在光照下二极管产生光电流，使电容上存储的电荷放电，经过一个固定时间间隔后，电容上存留的电荷量就与光照成正比，这时就将一幅图像摄人到了敏感元件阵列之中；

(3)最后进入“读出状态”。这时再打开开关晶体管，逐个读取各像素中电容上存储的电荷电压。

（二）影响CMOS传感器性能的主要因素

(1)噪声。噪声是影响CMOS传感器性能的首要原因，包括固定图形噪声FPN( Fixed pattern noise)、暗电流噪声、热噪声等。固定图形噪声产生的原因是一束同样的光照射到两个不同的像素上产生的输出信号不完全相同，噪声正是这样被引入的。对付固定图形噪声可以应用双采样或相关双采样技术。具体地说有点像在设计模拟放大器时引入差分来抑制共模噪声。双采样是先读出光照产生的电荷积分信号，暂存然后对像素单元进行复位，再读取此像素单元的输出信号。两者相减得出图像信号。两种采样均能有效抑制固定图形噪声。另外，相关双采样需要临时存储单元，随着像素的增加，存储单元也要增加。

(2)暗电流。物理器件不可能是理想的，如同亚阈值效应一样，由于杂质、受热等其他原因的影响，即使没有光照射到像素，像素单元也会产生电荷，这些电荷产生了暗电流。暗电流与光照产生的电荷很难进行区分。暗电流在像素阵列各处也不完全相同，它会导致固定图形噪声。对于含有积分功能的像素单元来说，暗电流所造成的固定图形噪声与积分时间成正比。暗电流的产生也是一个随机过程，它是热噪声的一个来源。热噪声元件所产生的暗电流大小等于像素单元中的暗电流电子数的平方根。当长时间的积分单元被采用时，这种类型的噪声就变成了影响图像信号质量的主要因素，对于昏暗物体，长时间的积分是必要的，并且像素单元电容容量是有限的，于是暗电流电子的积累限制了积分的最长时间。

为减少暗电流对图像信号的影响，首先可以采取降温手段。但是，仅对芯片降温是远远不够的，由暗电流产生的固定图形噪声不能完全通过双采样克服。现在采用的有效方法是从已获得的图像信号中减去参考暗电流信号。

（3）像素的饱和与溢出模糊

类似于放大器由于线性区的范围有限而存在一个输入上限，对于CMOS图像传感芯片来说，它也有一个输入的上限。输入光信号若超过此上限，像素单元将饱和而不能进行光电转换。对于含有积分功能的像素单元来说，此上限由光电子积分单元的容量大小决定：对于不含积分功能的像素单元，该上限由流过光电二极管或三极管的最大电流决定。在输入光信号饱和时，溢出模糊就发生了。溢出模糊是由于像素单元的光电子饱和进而流出到邻近的像素单元上。溢出模糊反映到图像上就是一片特别亮的区域。这有些类似于照片上的曝光过度。溢出模糊可通过在像素单元内加入自动泄放管来克服，泄放管可以有效地将过剩电荷排出。但是，这只是限制了溢出，却不能使象素能真实还原出图像了。

两种图像传感器比较

CCD图像传感器的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性；CMOS没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的资料。 整体来说，CCD 与 CMOS 两种设计的应用，反应在成像效果上，形成包括 感光度、制造成本、解析度、噪点与耗电量等方面的差异，具体表现在：

1.感光度差异：由于 CMOS 每个像素包含了放大器与A/D转换电路，过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积，因此 相同像素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS的感光度会低于CCD。

2.成本差异：CMOS 应用可以一次整合全部周边设施于单晶片中，节省加工晶片所需负担的成本 和良率的损失；相对于 CCD 采用电荷传递的方式输出信号，必须另辟传输通道，如果通道中有一个像素故障，就会导致信号无法传递，因此CCD的良率比CMOS低，再加上专属传输通道设计，CCD的制造成本相对高于CMOS。 

3.解析度差异： CMOS 每个像素的结构比 CCD 复杂，其感光开口不及CCD大， 相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时，CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。但是目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万像素 / 全片幅的设计，CMOS 技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难。

3.噪点差异：由于CMOS每个感光二极体搭配一个 ADC 放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的 ADC 放大器，虽然是统一制造下的产品，但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在，很难达到放大同步的效果，对比单一个放大器的CCD，CMOS最终计算出的噪点就比较多。

4.耗电量差异：CMOS的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；但CCD却为被动式， 必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特（V）以上的水平，因此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使 CCD 的电量远高于CMOS。

同时，CMOS图像传感器具有体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低等特点，但每个开关晶体管性能的微小差异都会产生固定的图形杂波，在整体性能上与CCD摄像器件还有一定的差距。

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