根据世界半导体贸易组织（ World Semiconductor Trade Statistics，WSTS）统计，将半导体产业分为四大类：集成电路、分立器件、光电子器件（占整个半导体产业市场规模6.8%，2022）和传感器。

世界半导体贸易组织预测总结

 

其中光电子器件（Optoelectronics）指的是利用光-电转换效应制成的各种功能器件，WSTS又将光电子器件分为：显示器件、照明器件、耦合器/隔离器、激光头、光发射、图像传感器、红外接收和发射器件、光传感器。本文主要探讨图像传感器，根据元件的不同，图像传感器通常可分为CCD和CMOS两大类。

 

01、CCD&CMOS结构

这两个图像传感器都是像素化的金属氧化物半导体。

CCD（Charge-Coupled Device）是由若干个电荷耦合单元组成的，它的基本构成是MOS管（MOS管相当于开关：给栅极加压，若超过阈值，源极和漏极就导通）。一个MOS结构称为一个光敏单元，或称为一个像素。将若干个MOS结构组成阵列，再加上输入、输出部件，就构成了CCD器件。

 

当曝光完成时，CCD将每个像素的电荷包依次传输到一个共同的输出结构，该结构将电荷转换为电压，进行缓冲并将其发送出芯片。

CCD结构示意图

 

CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）中“Complementary”是互补的意思，指的是把两个互补的MOS管集成在一起进行零和一的运算，实现反相器“非”的功能。

下图为CMOS的传输特性，蓝色曲线表示电压传输特性、紫色表示电流传输特性。通过分析传输特性可以得出CMOS的三个特点：静态功耗低、抗干扰能力强、电源利用率高。

 

CMOS的传输特性

 

在CMOS相机，电荷到电压的转换发生在每个像素中。在一定意义上可以说每个像素点就是一个光子计数器，每一个读值，都反映了指定时间内，该像素点捕获光子的数量。传感器会使用行选信号和列选信号来选中一个计数器，被选中的计数器与输出放大器连通，将其存储的电荷数转化为电压值输出到阵列的外部。这种读出技术上的差异对传感器的体系结构、能力和限制具有重要的影响。

 

CMOS结构示意图

02、图像传感器的性能指标

 

• 响应度：传感器每单位输入光能所传递的信号量。一般来说，CMOS响应度略优于CCD，因为结构的原因，增益元件更容易放置在CMOS图像传感器上。

• 动态范围：像素的饱和水平与信号阈值之比。相同条件下，CCD相比于CMOS具有大约两倍的优势。因为CCD基板上有更少的电路元件，对总线电容变化的固有容差以及具有可轻松适应最小噪声的晶体管几何结构的通用输出放大器，因此CCD仍然比CMOS具有显着的噪声优势。

• 均匀性：相同光照条件下不同像素响应的一致性。由于空间晶圆处理变化、颗粒缺陷和放大器变化会产生不均匀性。区分照明下的均匀性和黑暗下的均匀性很重要，CMOS在这两种情况下都比CCD差。因为CMOS每个像素都有一个开环输出放大器，并且由于晶圆加工的变化，每个放大器的偏移和增益都有偏差。然而，基于反馈的放大器结构可以优化CMOS的非均匀性。

• 快门：具有开始曝光和停止曝光的能力。快门可以分为全局快门和卷帘快门。CCD优于CMOS。全局快门：是通过整幅场景在同一时间曝光实现的。传感器所有像素点同时收集光线，同时曝光。卷帘快门：它是通过逐行曝光的方式实现的。在曝光开始的时候，传感器逐行扫描逐行进行曝光，直至所有像素点都被曝光。当然，所有的动作在极短的时间内完成。

• 果冻效应：卷帘快门方式拍摄出现的现象，用卷帘快门方式拍摄高速运动的物体，逐行扫描速度不够，拍摄结果就可能出现“倾斜”、“摇摆不定”或“部分曝光”等任一种情况。

• 速度：在这一方面，CMOS比CCD有优势，因为所有的相机功能都可以放置在同一块芯片上。因此，信号和功率跟踪距离可以更短，电感、电容和传播延迟更小。

• 窗口：CMOS技术的一个独特能力是能够读出图像传感器的一部分。可以提高对感兴趣区域的帧速，例如在图像子区域的高时间精度的目标跟踪。CCD在这方面通常能力有限。

• 防过曝：在不影响其余图像的情况下，排除局部过度曝光。CMOS一般具有防止局部过曝的能力，CCD需要特定的工程设计来实现这种能力。

• 可靠性：这两种图像芯片类型在大多数消费者和工业应用中都同样可靠。在超强环境中，CMOS具有优势，因为所有的电路功能都可以放置在一个集成电路芯片上，最大限度地减少导线和焊缝（在极其恶劣的环境中导致电路故障的主要原因）。

 

随着新型材料的不断发现以及半导体技术和工艺的持续改进，CCD和CMOS在各项性能指标上的优劣并不是一成不变的。因此，在选择相应的技术时，需要根据特定的应用需求来进行权衡。同时，EMCCD和sCMOS的广泛应用进一步降低了信噪比、提高了图像质量。这些技术已被广泛运用于对更为严苛场景的科学研究中，例如天文学、生物成像、高速显微镜以及活细胞成像等领域。

 

03、相机主要参数

 

• 最大帧率：即相机采集传输图像的速率，对于面阵相机一般为每秒采集的帧数(Frames/Sec.)，对于线阵相机为每秒采集的行数(Hz)。

• 相机分辨率：指相机所能捕捉到的图像的细节水平，通常用像素来表示，它表示每个图像的水平和垂直方向上的像素数目。例如"1920 x 1080"表示宽度为1920像素，高度为1080像素，例如：1920 x 1080=2073600像素，相当于200万像素。分辨率越高，图像的细节就越清晰，可以更好地捕捉细节和细微之处。

• 像元：是相机的图像传感器上的最小单位，代表图像传感器上的一个光敏区域。每个像元负责捕捉和记录光线的亮度值。像元用于记录图像的细节和构成图像的基本单元。

• 像素：是图像的最小组成单元。将一张图放大，可以看到每一个小格表示一个像素，其中每一个像素对应一个灰度值。

• 像元深度/比特位数 ：存储每个像素所用的数据位数，称为像元深度。以二进制形式表示，其中每个位可以是0或1。例如，像元深度是8位的相机，输出的图像灰度等级是2的8次方，即0-255共256级。每个像素使用的信息位数越多，可用的颜色就越多，颜色表现就更准确。显然像素深度越大，能表现的颜色越多，所需要的储存空间也越大，但同时也降低了系统的速度。

 

 

 

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