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，可分為CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導體元件）兩大類。圖像傳感器是各種工業及監控用相機
、便攜式錄放機、數碼相機，掃描儀等的核心部件。目前，這個快速增長的市場現在已經延伸到了玩具、手機、PDA
、汽車和生物等領域。

 

圖像傳感器

 

 

圖像傳感器應用

 

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麵上
，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
，圖像傳感器通常可分為CCD（Charge-Coupled Device，電荷耦合器件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導體元件）兩大類。

 

除以上兩大常用類型外，還有一種CIS（Contact Image Sensor的縮寫，接觸式圖像傳感器），一般用在掃描儀中。由於是接觸式掃描(必須與原稿保持很近的距離)，隻能使用LED光源，其景深、分辨率以及色彩表現目前都趕不上CCD感光器件，也不能用於掃描透射片。

 

接觸式CIS

 

隨著上世紀70年代和80年代固態成像應用的飛速發展，CCD技術和製造加工在光學特性和成像質量方麵得到了最優化。在上世紀末的25年裏，CCD技術一直統領著圖像傳感器件的潮流，它是能集成在一塊很小的芯片上的高分辨率和高質量圖像傳感器。

 

而 CMOS圖像傳感器近年得到迅速發展，大有後來居上之勢。CMOS在中端、低端應用領域提供了可以與CCD相媲美的性能
，而在價格方麵確實明顯占有優勢，隨著技術的發展，CMOS在高端應用領域也將占據一席之地。

 

 

圖像傳感器的工作原理

 

tuxiangchuanganqishiyizhongbandaotizhuangzhi，nenggoubaguangxueyingxiangzhuanhuaweishuzixinhao。chuanganqishangzhirudeweixiaoguangminwuzhichengzuoxiangsu。yikuaichuanganqishangbaohandexiangsushuyueduo，qitigongdehuamianfenbianlvyejiuyuegao。tadezuoyongjiuxiangjiaopianyiyang，dantashibatuxiangxiangsuzhuanhuanchengshuzixinhao。

 

 

CCD是在1969年由美國貝爾實驗室(Bell Labs)的維拉•波義耳(Willard S. Boyle)和喬治•史密斯(George E. Smith)所發明。

 

貝爾實驗室

 

當時貝爾實驗室正在發展影像電話和半導體氣泡式內存。將這兩種新技術結合起來後
，波義耳和史密斯得出一種裝置，他們命名為“電荷‘氣泡’元件”（Charge "Bubble" Devices）。

 

這種裝置的特性就是它能沿著一片半導體的表麵傳遞電荷，便嚐試用來做為記憶裝置，當時隻能從暫存器用“注入”電荷的方式輸入記憶。但隨即發現光電效應能使此種元件表麵產生電荷，而組成數位影像。

 

到了70年代，貝爾實驗室的研究員已經能用簡單的線性裝置捕捉影像
，CCD就此誕生
，CCD目前仍然廣泛的應用在數碼相機以及天文學等領域裏。

 

我們都知道CCD是一種數碼時代中代替傳統膠片的介質，其工作原理也是借助著最初膠片上的化學物質對光的感應原理而演變過來的。

 

 

它ta使shi用yong一yi種zhong高gao感gan光guang度du的de半ban導dao體ti材cai料liao製zhi成cheng

，能neng把ba光guang線xian轉zhuan變bian成cheng電dian荷he
，通tong過guo模mo數shu轉zhuan換huan器qi芯xin片pian轉zhuan換huan成cheng數shu字zi信xin號hao，數shu字zi信xin號hao經jing過guo壓ya縮suo以yi後hou由you相xiang機ji內nei部bu的de閃shan速su存cun儲chu器qi或huo內nei置zhi硬ying盤pan卡ka保bao存cun，因yin而er可ke以yi輕qing而er易yi舉ju地di把ba數shu據ju傳chuan輸shu給gei計ji算suan機ji

，並bing借jie助zhu於yu計ji算suan機ji的de處chu理li手shou段duan
，根gen據ju需xu要yao來lai修xiu改gai圖tu像xiang。

 

CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當CCD表麵受到光線照射時
，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫麵。

 

 

 

評價一個CCD傳感器好壞的指標有很多
，例如像素數、CCD尺寸
、信噪比等等。其中像素數以及CCD的尺寸是最重要的指標。像素數是指CCD上感光元件的數量。

 

我們可以把我們所拍攝到的畫麵理解為由很多個小的點組成，每個點就是一個像素。顯然
，像素數越多，畫麵就會越清晰，如果CCD沒有足夠的像素的話
，拍攝出來的畫麵的清晰度就會大受影響。

 

因此，CCD的像素數量應該越多越好。但是為了得到更好的畫質而增加了CCD的像素數後又必定會導致一個問題
，那就是CCD製造成本的增加以及成品率下降。

 

所以針對成本等一係列的問題，一種成本更低、功耗更低以及高整合度的CMOS傳感器橫空出世了。

 

CMOS本是計算機係統內一種重要的芯片
，保存了係統引導最基本的資料。

 

CMOS

 

CMOS的製造技術和一般計算機芯片沒什麼差別，主要是利用矽和鍺這兩種元素所做成的半導體
，使其在CMOS上共存著帶負電的N極和帶正電的P極的半導體，這兩個一正一負互補效應所產生的電流即可被處理芯片紀錄和轉換成影像。後來發現CMOS經過加工也可以作為數碼攝影中的圖像傳感器。

 

CMOS

 

CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器
，與CCD有著共同的曆史淵源。CMOS圖像傳感器通常由像敏單元陣列

、行驅動器、列驅動器、時序控製邏輯

、AD轉換器、數據總線輸出接口、控製接口等幾部分組成,這幾部分通常都被集成在同一塊矽片上。其工作過程一般可分為複位、光電轉換、積分、讀出幾部分。

 

CMOS的光電信息轉換功能與CCD的基本相似，區別就在於這兩種傳感器的光電轉換後信息傳送的方式不同。

 

CMOS構成

 

CMOS具有讀取信息的方式簡單
、輸出信息速率快、耗電省(僅為CCD芯片的1/10左右)、體積小
、重量輕
、集成度高、價格低等特點。

 

正是考慮到CMOS傳感器的製作成本以及成品率都要高於CCD傳感器，所以幾個知名廠商自2000起就開始加大對CMOS這種傳感器的研發工作，目前CMOS的成長率已經達到了幾倍於CCD的水平。

 

我們可以看到，即使在早期尼康公司的數碼單反產品中還會有一些型號的相機使用CCD傳感器，但是無論是尼康、索尼還是佳能在近幾年所推出的數碼相機裏，我們基本已經很難再看到CCD的蹤影了。

 

雖然使用CMOS傳感器會節約相機的成本

，但是成像質量對於相機來說仍然是最重要的，CMOS相比起CCD來說最大的致命傷就是畫質，這是因為早期的CMOS有個明顯的缺點，就是在電流變化時頻率變快
，因此不可避免的會產生熱量，最終造成畫麵出現雜點影響成像質量。

 

如果拿CCD和CMOS這兩種傳感器來比較的話
，CCD這種傳感器的最大的優點在於成像質量高，而CMOS最大的優點就在於成本低便於批量生產，而隨著CMOS的缺點在不斷的被完善。

 

目前一些中畫幅數碼相機或數碼後背仍然在使用CCD傳感器
，這是因為不同產品對畫質有著不同的要求

，所以那些中畫幅的數碼產品也的價格也往往會高出普通數碼相機許多。

 

因此
，可以說將來的相機市場的主要發展方向仍然會是以CMOS作為核心，並在這個基礎上不斷提高CMOS的分辨率以及靈敏度等等。

 

工業相機

 

時代在進步，節約成本是每個商家都在堅持的經商法則，CCD的未來不一定在相機市場裏
，在其他領域，CCD也會憑借著自身的優勢而被廣泛的使用。

 

科(ke)技(ji)不(bu)斷(duan)發(fa)展(zhan)，我(wo)相(xiang)信(xin)在(zai)未(wei)來(lai)的(de)某(mou)一(yi)天(tian)，一(yi)定(ding)會(hui)有(you)更(geng)多(duo)種(zhong)類(lei)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)出(chu)現(xian)
，這(zhe)也(ye)隻(zhi)是(shi)時(shi)間(jian)的(de)問(wen)題(ti)，到(dao)那(na)時(shi)我(wo)們(men)回(hui)望(wang)過(guo)去(qu)，看(kan)看(kan)我(wo)們(men)曾(zeng)經(jing)經(jing)曆(li)過(guo)的(de)膠(jiao)片(pian)時(shi)代(dai)、CCD時代和CMOS時代
，一定會由衷的感歎科技日新月異的飛速發展。

 

 

CCD 和 CMOS 使用相同的光敏材料，因而受光後產生電子的基本原理相同
，但是讀取過程不同：CCD 是在同步信號和時鍾信號的配合下以幀或行的方式轉移
，整個電路非常複雜

，讀出速率慢
；CMOS 則以類似 DRAM的方式讀出信號
，電路簡單，讀出速率高。

 

 

采用特殊技術的CCD讀出電路比較複雜，很難將A/D轉換、信號處理、自動增益控製
、精密放大和存儲功能集成到一塊芯片上，一般需要 3～8 個芯片組合實現
，同時還需要一個多通道非標準供電電壓。

 

借助於大規模集成製造工藝，CMOS圖像傳感器能非常容易地把上述功能集成到單一芯片上
，多數CMOS圖像傳感器同時具有模擬和數字輸出信號。

 

 

CCD 需多種電源供電，功耗較大
，體積也比較大。CMOS 隻需一個單電源(3V~5 V)供電
，其功耗相當於 CCD 的1/10，高度集成CMOS 芯片可以做的相當小。

 

 

CCD 技術已經相當成熟，而 CMOS 正處於蓬勃發展時期
，雖然目前高端CMOS圖像質量暫時不如CCD，但有些指標（如傳輸速率等方麵）已超過CCD。由於CMOS具有諸多優點，國內外許多機構已經應用CMOS圖像傳感器開發出眾多產品。

 

 

有you時shi大da家jia可ke能neng有you這zhe樣yang的de疑yi問wen，同tong樣yang是shi高gao清qing網wang絡luo攝she像xiang機ji為wei什shen麼me圖tu像xiang效xiao果guo會hui有you差cha異yi呢ne？使shi用yong同tong樣yang的de配pei件jian

，為wei什shen麼me晚wan上shang的de效xiao果guo也ye不bu同tong呢ne

？其qi實shi這zhe是shi與yu我wo們men使shi用yong的desensor（即圖像傳感器）的硬件技術指標相關的
，不管是CCD還是CMOS圖像傳感器，主要有“像素、靶麵尺寸、感光度、電子快門
、幀率
、信噪比”這六大硬件技術指標。

 

 

傳(chuan)感(gan)器(qi)上(shang)有(you)許(xu)多(duo)感(gan)光(guang)單(dan)元(yuan)
，它(ta)們(men)可(ke)以(yi)將(jiang)光(guang)線(xian)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)電(dian)荷(he)，從(cong)而(er)形(xing)成(cheng)對(dui)應(ying)於(yu)景(jing)物(wu)的(de)電(dian)子(zi)圖(tu)像(xiang)。而(er)在(zai)傳(chuan)感(gan)器(qi)中(zhong)，每(mei)一(yi)個(ge)感(gan)光(guang)單(dan)元(yuan)對(dui)應(ying)一(yi)個(ge)像(xiang)素(su)(Pixels)

，像素越多
，代表著它能夠感測到更多的物體細節
，從而圖像就越清晰
，像素越高，意味著成像效果越清晰。

 

像素

 

關聯一下我們中維世紀的產品：100W網絡攝像機分辨率是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。

 

 

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

，靶麵越大，意味著通光量越好，而靶麵越小則比較容易獲得更大的景深。

 

比如1/2英寸可以有比較大的通光量，而1/4英寸可以比較容易獲得較大的景深。”關聯一下我們中維世紀的產品：100W產品是1/4英寸，130W是1/3英寸,200W是1/2.7英寸，大家從畫麵上就能感知到上麵提到的靶麵尺寸的不同帶來的圖像畫質的變化。

 

 

即是通過CCD或CMOSyijixiangguandedianzixianluganyingrusheguangxiandeqiangruo。ganguangduyuegao
，ganguangmianduiguangdemingandujiuyueqiang，kuaimensudujiuyuegao
，zhezaipaisheyundongcheliang，yejianjiankongdeshihouyouqixiandezhongyao。

 

這就是解釋了為什麼不同的攝像機夜視會有很大差別
，感光度的單位是V/LUX-SEC,V(伏）就是我們通常說的電壓的單位，LUX-SEC:是光強弱的單位，這個比值越大，夜視效果越好。

 

 

是(shi)比(bi)照(zhao)照(zhao)相(xiang)機(ji)的(de)機(ji)械(xie)快(kuai)門(men)功(gong)能(neng)提(ti)出(chu)的(de)一(yi)個(ge)術(shu)語(yu)。其(qi)控(kong)製(zhi)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)感(gan)光(guang)時(shi)間(jian)，由(you)於(yu)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)感(gan)光(guang)值(zhi)就(jiu)是(shi)信(xin)號(hao)電(dian)荷(he)的(de)積(ji)累(lei)，感(gan)光(guang)越(yue)長(chang)
，信(xin)號(hao)電(dian)荷(he)積(ji)累(lei)時(shi)間(jian)也(ye)越(yue)長(chang)，輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)電(dian)流(liu)的(de)幅(fu)值(zhi)也(ye)越(yue)大(da)。電(dian)子(zi)快(kuai)門(men)越(yue)快(kuai)，感(gan)光(guang)度(du)越(yue)低(di)，適(shi)合(he)在(zai)強(qiang)光(guang)下(xia)拍(pai)攝(she)。

 

 

既指單位時間所記錄或者播放的圖片的數量。連續播放一係列圖片就會產生動畫效果
，根據人類的視覺係統，當圖片的播放速度大於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鍾能夠更新的次數。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的視覺體驗。

 

 

是信號電壓對於噪聲電壓的比值，信噪比的單位用dB來表示。一般攝像機給出的信噪比值均是AGC(自動增益控製)關閉時的值，因為當AGC接通時
，會對小信號進行提升，使得噪聲電平也相應提高。

 

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(ze)圖(tu)像(xiang)質(zhi)量(liang)優(you)良(liang)
，不(bu)出(chu)現(xian)噪(zao)聲(sheng)，信(xin)噪(zao)比(bi)越(yue)大(da)說(shuo)明(ming)對(dui)噪(zao)聲(sheng)的(de)控(kong)製(zhi)越(yue)好(hao)。這(zhe)個(ge)參(can)數(shu)關(guan)係(xi)的(de)圖(tu)像(xiang)中(zhong)噪(zao)點(dian)的(de)數(shu)量(liang)，信(xin)噪(zao)比(bi)越(yue)高(gao)，給(gei)人(ren)感(gan)覺(jiao)畫(hua)麵(mian)越(yue)幹(gan)淨(jing)，夜(ye)視(shi)的(de)畫(hua)麵(mian)中(zhong)點(dian)狀(zhuang)的(de)噪(zao)點(dian)就(jiu)越(yue)少(shao)。

 

 

目前，CCD在性能方麵還仍然優於CMOS。不過，隨著CMOS圖像傳感器技術的不斷進步，在其本身具備的集成性、低功耗、低成本的優勢基礎上，噪聲與敏感度方麵有了很大的提升，與CCD傳感器差距不斷縮小。甚至有些業內人士認為
，未來的傳感器市場，應是CMOS的天下。那麼，到底哪一種傳感器更適合工業相機市場呢？或者哪一種傳感器更適應以後的需求？

 

對於以上問題，答案是顯而易見的：在選擇某種芯片時有很多需要權衡考慮的問題。

 

CCD和CMOS圖tu像xiang傳chuan感gan器qi各ge有you利li弊bi
，在zai整zheng個ge圖tu像xiang傳chuan感gan器qi市shi場chang上shang它ta們men既ji是shi一yi種zhong相xiang互hu競jing爭zheng又you是shi一yi種zhong相xiang互hu補bu充chong的de關guan係xi，而er有you些xie時shi候hou
，兩liang種zhong傳chuan感gan器qi之zhi間jian是shi互hu補bu的de，可ke以yi適shi用yong在zai不bu同tong的de應ying用yong場chang合he。不bu論lun是shi哪na種zhong傳chuan感gan器qi比bi較jiao強qiang大da
，他ta們men技ji術shu的de進jin步bu無wu疑yi都dou將jiang極ji大da推tui動dong圖tu像xiang傳chuan感gan器qi市shi場chang及ji機ji器qi視shi覺jiao行xing業ye的de發fa展zhan。

 

本文來源於傳感器技術。