图像传感器的应用和发展趋势

图像传感器是组成摄像机的核心部件，监视现场的景物，经摄像镜头在摄像机的图像传感器靶面上成像，使传感器输出反映监视现场图像内容的实时电信号。该电信号再经摄像机内部电路处理后，即可输出能被监视器接收、显示且能被录像机记录的视频信号。

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。

光电转换：把焦平面的光学图像（景物通过镜头成像在焦平面）转换为电图像。完成这个转换的是由特殊光电材料构成的感光面（焦平面），通常称为靶面。靶面是由单元结构（如光敏二极管（又叫光电二极管））构成的阵列。当光（子）照射到靶面（光电材料）时，将产生光电子（电荷），光电子积累、存储在相应的区域内。光电子的数量与辐照光子的量成正比，也就是与辐照光强成正比。这是由光电材料的物理特性所决定的。当镜头把景物成像在焦平面上时，焦平面的另一面就会生成一个与其相对应的电图像。这是摄像器件完成的首要转换。

电视扫描：通过读取靶面电荷，将空间分布的电信号转换为时间顺序的电信号。早期真空摄像器件是通过电子束扫描，而固体摄像器件则是通过电荷转换或寻址方式来读出电荷，但读出的过程与扫描是相同的。由光电转换成的电图像不可以远距离传播，需进一步转换成为时间域上的连续的电信号才能成为一种可以变换、处理、传送的电信号。

视频监控用图像传感器根据元件不同主要有CCD和CMOS两种。它们都是像素化的器件，即由光电转换单元阵列组成的靶面。

电荷耦合元件CCD（Charge Coupled Device）是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，如图2-46所示为三种CCD实物图。互补金属氧化物半导体器件CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）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更低，功耗也低得多。

图2-46 三种CCD实物图

（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。使得器件在曝光期间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。

转移电荷功能：MOS单元的阵列构成了CCD器件，通过电极电压的相位控制，可以把每个单元存储、积累的电荷转移出来。

（三）CCD摄像器件的结构

根据CCD摄像器件电荷耦合方式的不同，CCD摄像器件的结构有线阵摄像器件与面阵摄像器件两种。

1.线阵摄像器件

CCD作为光敏器件，最初是以线阵摄像器件的形式出现的，用于传真机及扫描仪等慢速扫描设备。

线阵摄像器件可用下面两种方法构成：

（1）光敏区和转移区分开，使转移区不照光，并用一列移位寄存器进行转移的单通道型。

光敏区和转移区分开，使得当光照产生的信号电荷在光敏区的势阱里得到充分积累时，接通转移栅，使电荷包流入转移区，此时转移区不照光，防止了信号电荷包变模糊。但这种方法的转移次数多，转移效率低下。

（2）光敏区和转移区分开，不照光的转移区用并排在光敏区两侧的移位寄存器，形成转移速度较高的双通道型。

双通道型可以解决上面单通道型的转移次数多、转移效率低的问题。利用光敏区两侧的CCD移位寄存器，当光电信号电荷的积累时间结束后，偶数光敏单元转移到左侧寄存器，奇数光敏单元转移到右侧寄存器。这样就使得其总转移效率比单通道型的总转移效率高。

2.面阵摄像器件(www.xing528.com)

面阵摄像器件的电荷耦合方式主要有X-Y选址方式、IT方式、FT方式和FIT方式四种。其中，X-Y选址方式存在寄生电容和输出电路的噪声等问题，转移效率不高，实际应用比较少。图2-47所示为面阵CCD图像传感器的外观，其中心部分即是CCD感光靶面。

（四）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。

图2-47 面阵CCD图像传感器的外观

（五）CMOS摄像器件的原理与应用

CCD技术虽然较成熟并得到非常广泛的应用，但其芯片技术工艺复杂，不能与标准工艺兼容，需要的电压功耗大，光敏元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上，造成由CCD图像传感器组装的摄像机体积大、功耗大。CMOS图像传感器是一个图像系统，集成了图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。CMOS图像传感器以其体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低等特点较CCD器件有更好的应用前景。随着CMOS图像传感器光照灵敏度和图像分辨率的提高，噪声进一步降低后，CMOS图像传感器的图像质量就可以达到或略微超过CCD图像传感器的水平。未来CMOS图像传感器有可能取代CCD图像传感器。

1.CMOS摄像器件的工作原理

CMOS摄像器件的原理示意图如图2-48所示。

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。X寻址移位寄存器根据需要选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自Y寻址移位寄存器的选通指令传输到对应的输出总线上，再经过A-D转换器，转换成数字图像信号输出。X寻址移位寄存器与Y寻址移位寄存器配合使用可以实现图像的窗口提取功能，从而可以任意选择个别的或局部的读取必要的信息并进行相应的处理。

其中，光敏像素单元由一个光敏二极管、存储电容器和一个开关晶体管组成，如图2-48所示。像素单元的工作原理及过程如下：

图2-48 CMOS摄像器件的原理示意图

（1）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V_m，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C上存留的电荷量就与光照成正比，这时就将一幅图像摄入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C上存储的电荷电压。

2.影响CMOS传感器性能的主要原因

（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，该上限由流过光敏二极管或晶体管的最大电流决定。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，却不能使像素能真实还原出图像。

虽然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摄像器件还有差距。CMOS摄像器件已在手机、网络摄像机中得到广泛的应用。