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圖像傳感器基本介紹,什么是圖像傳感器

2021-03-29 09:00:23

圖像傳感器屬于光電產(chǎn)業(yè)里的光電元件類,隨著數(shù)碼技術(shù)、半導(dǎo)體制造技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展,目前市場和業(yè)界都面臨著跨越各平臺的視訊、影音、通訊大整合時代的到來,勾劃著未來人類的日常生活的美景。以其在日常生活中的應(yīng)用,無疑要屬數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品,其發(fā)展速度可以用日新月異來形容。短短的幾年,數(shù)碼相機(jī)就由幾十萬像素,發(fā)展到400、500萬像素甚至更高。不僅在發(fā)達(dá)的歐美國家,數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)占有很大的市場,就是在發(fā)展中的中國,數(shù)碼相機(jī)的市場也在以驚人的速度在增長,因此,其關(guān)鍵零部件——圖像傳感器產(chǎn)品就成為當(dāng)前以及未來業(yè)界關(guān)注的對象,吸引著眾多廠商投入。以產(chǎn)品類別區(qū)分,圖像傳感器產(chǎn)品主要分為CCD、CMOS以及CIS傳感器三種。


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CMOS/CCD圖像傳感器的工作原理

  無論是CCD還是CMOS,它們都采用感光元件作為影像捕獲的基本手段,CCD/CMOS感光元件的核心都是一個感光二極管(photodiode),該二極管在接受光線照射之后能夠產(chǎn)生輸出電流,而電流的強(qiáng)度則與光照的強(qiáng)度對應(yīng)。但在周邊組成上,CCD的感光元件與CMOS的感光元件并不相同,前者的感光元件除了感光二極管之外,包括一個用于控制相鄰電荷的存儲單元,感光二極管占據(jù)了絕大多數(shù)面積—換一種說法就是,CCD感光元件中的有效感光面積較大,在同等條件下可接收到較強(qiáng)的光信號,對應(yīng)的輸出電信號也更明晰。而CMOS感光元件的構(gòu)成就比較復(fù)雜,除處于核心地位的感光二極管之外,它還包括放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,每個像點(diǎn)的構(gòu)成為一個感光二極管和三顆晶體管,而感光二極管占據(jù)的面積只是整個元件的一小部分,造成CMOS傳感器的開口率遠(yuǎn)低于CCD(開口率:有效感光區(qū)域與整個感光元件的面積比值);這樣在接受同等光照及元件大小相同的情況下,CMOS感光元件所能捕捉到的光信號就明顯小于CCD元件,靈敏度較低;體現(xiàn)在輸出結(jié)果上,就是CMOS傳感器捕捉到的圖像內(nèi)容不如CCD傳感器來得豐富,圖像細(xì)節(jié)丟失情況嚴(yán)重且噪聲明顯,這也是早期CMOS傳感器只能用于低端場合的一大原因。CMOS開口率低造成的另一個麻煩在于,它的像素點(diǎn)密度無法做到媲美CCD的地步,因?yàn)殡S著密度的提高,感光元件的比重面積將因此縮小,而CMOS開口率太低,有效感光區(qū)域小得可憐,圖像細(xì)節(jié)丟失情況會愈為嚴(yán)重。因此在傳感器尺寸相同的前提下,CCD的像素規(guī)模總是高于同時期的CMOS傳感器,這也是CMOS長期以來都未能進(jìn)入主流數(shù)碼相機(jī)市場的重要原因之一。


  每個感光元件對應(yīng)圖像傳感器中的一個像點(diǎn),由于感光元件只能感應(yīng)光的強(qiáng)度,無法捕獲色彩信息,因此必須在感光元件上方覆蓋彩色濾光片。在這方面,不同的傳感器廠商有不同的解決方案,最常用的做法是覆蓋RGB紅綠藍(lán)三色濾光片,以1:2:1的構(gòu)成由四個像點(diǎn)構(gòu)成一個彩色像素(即紅藍(lán)濾光片分別覆蓋一個像點(diǎn),剩下的兩個像點(diǎn)都覆蓋綠色濾光片),采取這種比例的原因是人眼對綠色較為敏感。而索尼的四色CCD技術(shù)則將其中的一個綠色濾光片換為翡翠綠色(英文Emerald,有些媒體稱為E通道),由此組成新的R、G、B、E四色方案。不管是哪一種技術(shù)方案,都要四個像點(diǎn)才能夠構(gòu)成一個彩色像素,這一點(diǎn)大家務(wù)必要預(yù)先明確。


  在接受光照之后,感光元件產(chǎn)生對應(yīng)的電流,電流大小與光強(qiáng)對應(yīng),因此感光元件直接輸出的電信號是模擬的。在CCD傳感器中,每一個感光元件都不對此作進(jìn)一步的處理,而是將它直接輸出到下一個感光元件的存儲單元,結(jié)合該元件生成的模擬信號后再輸出給第三個感光元件,依次類推,直到結(jié)合最后一個感光元件的信號才能形成統(tǒng)一的輸出。由于感光元件生成的電信號實(shí)在太微弱了,無法直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換工作,因此這些輸出數(shù)據(jù)必須做統(tǒng)一的放大處理—這項(xiàng)任務(wù)是由CCD傳感器中的放大器專門負(fù)責(zé),經(jīng)放大器處理之后,每個像點(diǎn)的電信號強(qiáng)度都獲得同樣幅度的增大;但由于CCD本身無法將模擬信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,因此還需要一個專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理,最終以二進(jìn)制數(shù)字圖像矩陣的形式輸出給專門的DSP處理芯片。而對于CMOS傳感器,上述工作流程就完全不適用了。CMOS傳感器中每一個感光元件都直接整合了放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換邏輯,當(dāng)感光二極管接受光照、產(chǎn)生模擬的電信號之后,電信號首先被該感光元件中的放大器放大,然后直接轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信號。換句話說,在CMOS傳感器中,每一個感光元件都可產(chǎn)生最終的數(shù)字輸出,所得數(shù)字信號合并之后被直接送交DSP芯片處理—問題恰恰是發(fā)生在這里,CMOS感光元件中的放大器屬于模擬器件,無法保證每個像點(diǎn)的放大率都保持嚴(yán)格一致,致使放大后的圖像數(shù)據(jù)無法代表拍攝物體的原貌—體現(xiàn)在最終的輸出結(jié)果上,就是圖像中出現(xiàn)大量的噪聲,品質(zhì)明顯低于CCD傳感器。




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