圖像傳感器是電子元器件熱門的方向之一，無論是智能手機、安防監控、汽車電子還是工業應用，都在大量采用，而且增速驚人。手機應用上已經普及了多攝像頭，但是單看傳感器的成本，五攝手機的圖像傳感器加起來，未必比一顆普通工業用傳感器貴，而單顆高速、高分辨率工業圖像傳感器價格則要到幾千美元，比主流旗艦手機整機還貴。
本期，英萊小編帶您了解工業視覺技術的核心部件——圖像傳感器
定義：
成像物鏡將外界照明光照射下的（或自身發光的）景物成像在物鏡的像面上，形成二維空間的光強分布（光學圖像）。能夠將二維光強分布的光學圖像轉變成一維時序電信號的傳感器稱為圖像傳感器。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，圖像傳感器通?？煞譃閮纱箢悾?/span>
●CCD（電荷耦合器件 Charge-Coupled Device）
●CMOS（互補性金屬氧化物半導體元件 Complementary Metal-Oxide Semiconductor）
無論是CCD還是CMOS，都是用光電二極管來感光的，那么二者的區別究竟在哪里呢？
● CCD傳感器的像素單元，沒有獨立的讀出端，光照射每個像素產生電荷，并累積。由于CCD只有一個讀出端口，因此需要串行的將每個像素的電荷在像素之間進行轉移到輸出端口。將電荷轉換為電壓，進行放大和AD轉換得到圖像。就像是接力，將整列的電荷全部傳輸給讀出端，整列的電荷，全部轉換為電壓。
● CMOS的傳輸簡單，每個像素都有自己的電荷電壓轉換器，每個像素，單獨完成電荷轉換成電壓。因此造成了很多獨特的優缺點。
可以這樣理解：CCD的像素信號，是電子包，而COMS的信號，是電壓。CCD和CMOS本質上講，都是光電二極管感光，主要差別主要在周邊電路上。
技術的角度比較，CCD與CMOS的區別有如下四個方面的不同：
CCD電荷耦合器存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地轉移后讀取，電荷信息轉移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為復雜。CMOS光電傳感器經光電轉換后直接產生電流（或電壓）信號，信號讀取十分簡單，速度比CCD電荷耦合器快很多。
CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大；CMOS光電傳感器部分只需使用一個電源，耗電量小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節能方面具有很大優勢。
CCD電荷耦合器制作技術起步早，技術成熟，采用PN結或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質量相對CMOS光電傳感器有一定優勢。由于CMOS光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴重，噪聲對圖像質量影響很大，使CMOS光電傳感器很長一段時間無法進入實用。近年，隨著CMOS電路消噪技術的不斷發展，為生產高密度優質的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。
早期的CCD與COMS成像對比
功耗、良品率這幾點可以說是CCD傳感器的死穴了，功耗高的主要原因是因為CCD的放大策略，CMOS是直接像素單獨放大，而CCD是一列（排）像素統一放大，就是這個過程，導致CCD需要加電壓，讓電荷轉移到到輸出端，高驅動電壓的代價就是功耗感人。
同時，CMOS的壞點只會損壞單個像素，而CCD，則是損壞一個像素，就犧牲一排像素，原因就是電荷在整列（排）像素上轉移，因此良品率和損壞率遠比CMOS高。
近年來，隨著背照式CMOS、堆棧式CMOS的出現解決了開口率問題，ADC內置，加強了前端讀出噪聲的控制，還有pinned二極管ppd像素結構的出現，極大抑制了暗電流，諸多新技術讓CMOS以肉眼可見的速度趕超CCD，甚至出現了超越。
不管是CCD還是CMOS圖像傳感器，主要有“分辨率、靶面尺寸（光學尺寸）、像素大小、曝光方式、幀率、信噪比、動態范圍。
分辨率
傳感器上有許多感光單元，它們可以將光線轉換成電荷，從而形成對應于景物的電子圖像。而在傳感器中，每一個感光單元對應一個像素(Pixels)，像素越多，代表分辨率越高，著它能夠感測到更多的物體細節，從而圖像就越清晰。
100W像素攝像機分辨率是1280X720，兩個值相乘得出的就是像素值，就是近100萬個像素點，130W的分辨率是1280X960,像素值就是近130萬個像素點。從圖像效果上看，130W的效果比100W的要好一些。
靶面尺寸
圖像傳感器感光部分的大小，一般用英寸來表示。和電視機一樣，通常這個數據指的是這個圖像傳感器的對角線長度，如 常見的有1/3英寸，同一規格傳感器，靶面越大，意味著信息采集量越大，相應的圖像動態范圍越好，成像質量越好。
像素大小
靶面尺寸和像素是決定成像質量的一對關系。只有兩個同時看，才能理論上估算出成像質量。圖像傳感器中單個像素的面積越大，它的感光性能就越好，反映到我們用的攝像機上，就是“高低分明”相對好一些。
例如，就同樣大小CCD，假設單位面積上CCD像素是標清的720*576標準的話，那同樣大小面積上的CCD像素要做到HDV標準1440*1080的話，那后者的單個像素面積一定是小于前面的。
曝光方式
機器視覺行業，對于CCD或者CMOS來說，曝光只有兩種，一種是全局曝光（Global shutter），另一種是滾動曝光（Rolling shutter）。全局曝光可以理解為整幀圖像同時曝光，同時定格；滾動曝光是整幅圖像從上到下一行一行的曝光，每行之間都有時間差。
對于拍攝運動物體尤其是快速運動物體，除了曝光時間要盡量低之外，還要盡量用全局曝光相機，曝光時間低是為了避免運動模糊，選擇全局曝光是為了避免變形。根據上面描述的原理，拍攝運動物體，如果用滾動曝光，每一行定格的時間都是不同的，所以物體會產生類似平行四邊形的扭曲變形。
幀率
既指單位時間所記錄或者播放的圖片的數量。連續播放一系列圖片就會產生動畫效果，根據人類的視覺系統，當圖片的播放速度大于15幅/秒（即15幀）的時候， 人眼就基本看不出來圖片的跳躍；在達到24幅/s～30幅/s（即24幀到30幀）之間時就已經基本覺察不到閃爍現象了。
每秒的幀數(fps)或者說幀率表示圖形傳感器在處理場時每秒鐘能夠更新的次數。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的視覺體驗。
是信號電壓對于噪聲電壓的比值對數，信噪比的單位用dB來表示，信噪比的典型值為45～55dB，若為50dB，則圖像有少量噪聲，但圖像質量良好；若為60dB，則圖像質量優良，不出現噪聲，信噪比越大說明對噪聲的控制越好。這個參數關系到圖像中噪點的數量，信噪比越高，給人感覺畫面越干凈，夜視的畫面中點狀的噪點就越少。
動態范圍
它是指感光材料所能同時記錄的暗到亮的亮度級別的范圍。處于這個范圍之外的亮度，感光材料已經無法記錄下其影像，因此將其表現為死黑（如果更暗）或死白（如果更亮）。動態范圍可以直接用光比來表示，但更方便的是用光圈的檔數差來表示。
在現實中，一幅圖像會同時具有亮和暗的區域，它們之間的差距可能是很大的，機器視覺系統所采集的圖像應盡可能地反映出這種灰度的變化范圍。此外，在現實中圖像灰度的微小變化，可能就是機器視覺系統要區別的目標和背景的界限，所以機器視覺系統也應盡可能地將圖像中灰度的細微變化反映出來。
—— END ——
以客戶為中心 以技術為核心
圖像傳感器是電子元器件熱門的方向之一，無論是智能手機、安防監控、汽車電子還是工業應用，都在大量采用，而且增速驚人。手機應用上已經普及了多攝像頭，但是單看傳感器的成本，五攝手機的圖像傳感器加起來，未必比一顆普通工業用傳感器貴，而單顆高速、高分辨率工業圖像傳感器價格則要到幾千美元，比主流旗艦手機整機還貴。
本期，英萊小編帶您了解工業視覺技術的核心部件——圖像傳感器
定義：
成像物鏡將外界照明光照射下的（或自身發光的）景物成像在物鏡的像面上，形成二維空間的光強分布（光學圖像）。能夠將二維光強分布的光學圖像轉變成一維時序電信號的傳感器稱為圖像傳感器。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，圖像傳感器通?？煞譃閮纱箢悾?/span>
●CCD（電荷耦合器件 Charge-Coupled Device）
●CMOS（互補性金屬氧化物半導體元件 Complementary Metal-Oxide Semiconductor）
無論是CCD還是CMOS，都是用光電二極管來感光的，那么二者的區別究竟在哪里呢？
● CCD傳感器的像素單元，沒有獨立的讀出端，光照射每個像素產生電荷，并累積。由于CCD只有一個讀出端口，因此需要串行的將每個像素的電荷在像素之間進行轉移到輸出端口。將電荷轉換為電壓，進行放大和AD轉換得到圖像。就像是接力，將整列的電荷全部傳輸給讀出端，整列的電荷，全部轉換為電壓。
● CMOS的傳輸簡單，每個像素都有自己的電荷電壓轉換器，每個像素，單獨完成電荷轉換成電壓。因此造成了很多獨特的優缺點。
可以這樣理解：CCD的像素信號，是電子包，而COMS的信號，是電壓。CCD和CMOS本質上講，都是光電二極管感光，主要差別主要在周邊電路上。
技術的角度比較，CCD與CMOS的區別有如下四個方面的不同：
CCD電荷耦合器存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地轉移后讀取，電荷信息轉移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為復雜。CMOS光電傳感器經光電轉換后直接產生電流（或電壓）信號，信號讀取十分簡單，速度比CCD電荷耦合器快很多。
CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大；CMOS光電傳感器部分只需使用一個電源，耗電量小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節能方面具有很大優勢。
CCD電荷耦合器制作技術起步早，技術成熟，采用PN結或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質量相對CMOS光電傳感器有一定優勢。由于CMOS光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴重，噪聲對圖像質量影響很大，使CMOS光電傳感器很長一段時間無法進入實用。近年，隨著CMOS電路消噪技術的不斷發展，為生產高密度優質的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。
早期的CCD與COMS成像對比
功耗、良品率這幾點可以說是CCD傳感器的死穴了，功耗高的主要原因是因為CCD的放大策略，CMOS是直接像素單獨放大，而CCD是一列（排）像素統一放大，就是這個過程，導致CCD需要加電壓，讓電荷轉移到到輸出端，高驅動電壓的代價就是功耗感人。
同時，CMOS的壞點只會損壞單個像素，而CCD，則是損壞一個像素，就犧牲一排像素，原因就是電荷在整列（排）像素上轉移，因此良品率和損壞率遠比CMOS高。
近年來，隨著背照式CMOS、堆棧式CMOS的出現解決了開口率問題，ADC內置，加強了前端讀出噪聲的控制，還有pinned二極管ppd像素結構的出現，極大抑制了暗電流，諸多新技術讓CMOS以肉眼可見的速度趕超CCD，甚至出現了超越。
不管是CCD還是CMOS圖像傳感器，主要有“分辨率、靶面尺寸（光學尺寸）、像素大小、曝光方式、幀率、信噪比、動態范圍。
分辨率
傳感器上有許多感光單元，它們可以將光線轉換成電荷，從而形成對應于景物的電子圖像。而在傳感器中，每一個感光單元對應一個像素(Pixels)，像素越多，代表分辨率越高，著它能夠感測到更多的物體細節，從而圖像就越清晰。
100W像素攝像機分辨率是1280X720，兩個值相乘得出的就是像素值，就是近100萬個像素點，130W的分辨率是1280X960,像素值就是近130萬個像素點。從圖像效果上看，130W的效果比100W的要好一些。
靶面尺寸
圖像傳感器感光部分的大小，一般用英寸來表示。和電視機一樣，通常這個數據指的是這個圖像傳感器的對角線長度，如 常見的有1/3英寸，同一規格傳感器，靶面越大，意味著信息采集量越大，相應的圖像動態范圍越好，成像質量越好。
像素大小
靶面尺寸和像素是決定成像質量的一對關系。只有兩個同時看，才能理論上估算出成像質量。圖像傳感器中單個像素的面積越大，它的感光性能就越好，反映到我們用的攝像機上，就是“高低分明”相對好一些。
例如，就同樣大小CCD，假設單位面積上CCD像素是標清的720*576標準的話，那同樣大小面積上的CCD像素要做到HDV標準1440*1080的話，那后者的單個像素面積一定是小于前面的。
曝光方式
機器視覺行業，對于CCD或者CMOS來說，曝光只有兩種，一種是全局曝光（Global shutter），另一種是滾動曝光（Rolling shutter）。全局曝光可以理解為整幀圖像同時曝光，同時定格；滾動曝光是整幅圖像從上到下一行一行的曝光，每行之間都有時間差。
對于拍攝運動物體尤其是快速運動物體，除了曝光時間要盡量低之外，還要盡量用全局曝光相機，曝光時間低是為了避免運動模糊，選擇全局曝光是為了避免變形。根據上面描述的原理，拍攝運動物體，如果用滾動曝光，每一行定格的時間都是不同的，所以物體會產生類似平行四邊形的扭曲變形。
幀率
既指單位時間所記錄或者播放的圖片的數量。連續播放一系列圖片就會產生動畫效果，根據人類的視覺系統，當圖片的播放速度大于15幅/秒（即15幀）的時候， 人眼就基本看不出來圖片的跳躍；在達到24幅/s～30幅/s（即24幀到30幀）之間時就已經基本覺察不到閃爍現象了。
每秒的幀數(fps)或者說幀率表示圖形傳感器在處理場時每秒鐘能夠更新的次數。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的視覺體驗。
是信號電壓對于噪聲電壓的比值對數，信噪比的單位用dB來表示，信噪比的典型值為45～55dB，若為50dB，則圖像有少量噪聲，但圖像質量良好；若為60dB，則圖像質量優良，不出現噪聲，信噪比越大說明對噪聲的控制越好。這個參數關系到圖像中噪點的數量，信噪比越高，給人感覺畫面越干凈，夜視的畫面中點狀的噪點就越少。
動態范圍
它是指感光材料所能同時記錄的暗到亮的亮度級別的范圍。處于這個范圍之外的亮度，感光材料已經無法記錄下其影像，因此將其表現為死黑（如果更暗）或死白（如果更亮）。動態范圍可以直接用光比來表示，但更方便的是用光圈的檔數差來表示。
在現實中，一幅圖像會同時具有亮和暗的區域，它們之間的差距可能是很大的，機器視覺系統所采集的圖像應盡可能地反映出這種灰度的變化范圍。此外，在現實中圖像灰度的微小變化，可能就是機器視覺系統要區別的目標和背景的界限，所以機器視覺系統也應盡可能地將圖像中灰度的細微變化反映出來。
—— END ——
