基础知识之图像传感器

1. 什么是图像传感器？

• 影像传感器，是数码相机的核心，也是最关键的技术。当前主要是通过电子图像传感器以数字方式捕获和存储图像或视频，或者通过感光材料（例如胶片）以化学方式捕获和存储图像或视频。作为摄影和摄像领域的关键技术，相机在视觉艺术、媒体、娱乐、监控和科学研究的进步中发挥了重要作用。相机的发明可以追溯到 19 世纪，此后随着技术的进步而发展，在 21 世纪出现了种类繁多的类型和型号。相机通过各种机械部件和原理的组合来发挥作用。其中包括曝光控制，调节到达传感器或胶片的光量；聚焦光线的透镜；取景器，允许用户预览场景；以及捕捉图像的胶片或传感器。目前存在多种类型的相机，每种类型都适合特定用途并提供独特的功能。单镜头反光 (SLR) 相机通过镜头提供实时、精确的成像。大画幅和中画幅相机提供更高的图像分辨率，通常用于专业和艺术摄影。紧凑型相机以其便携性和简单性而闻名，在消费摄影领域很受欢迎。测距相机具有独立的观察和成像系统，历史上广泛用于新闻摄影。电影摄影机专门用于拍摄电影内容，而数码相机20世纪末21世纪初盛行的技术，使用电子传感器来捕捉和存储图像。

2. 图像传感器是如何工作的？

2.1 电荷耦合器件( CCD )

• 电荷的产生：电荷耦合器件( CCD ) 是包含一系列链接或耦合电容器的集成电路。在外部电路的控制下，每个电容器都可以将其电荷转移到相邻的电容器。在 CCD图像传感器中，像素由p 掺杂 金属氧化物半导体(MOS)电容器表示。这些MOS 电容器是 CCD 的基本构建模块，在图像采集开始时偏置高于反转阈值，从而允许在半导体-氧化物界面将传入光子转换为电子电荷；然后使用 CCD 读出这些电荷。当光线投射到 OCD表面的光敏象素 (MOS电容器 )上， 光子穿过透明电极及氧化层，进入 P型硅衬底(一般以P型 硅为衬底)．衬底中处于价带的电子吸收光子能量而跃人导 带．形成电子一空穴对，电子一空穴对在外加电场作用下分别向 电极两端移动，形成光生电荷即信号电荷电荷传输。通过将一定规则变化的电压加到( 各电极上，电槛下 的电荷包就能沿半导体表面按一定的方向移动。通常把 CCD电极分为几组．每一纽称为一相，并施加同样的时钟。 如三相CCD中，电荷在三相时钟的变化下，电荷始终存贮在 高电平电极下的课势阱中，随着高电乎时钟向右移动，电荷依次被移出。
• 电荷传输：可以把输出过程看成是输入过程的逆过程。CCD最后 一个栅极中的电荷包通过输出栅形成的“沟道”进入到输出二极管(反偏压输出二极管) ，此二极管将信号电荷收集并送前置放大器，从而完成电荷包上的信号检测。根据输出先后 可以判别出电荷是从哪个光敏元来的，并根据输出电荷量可 知该光敏元受光的强弱。
• CCD记录图像的过程：在用于捕获图像的 CCD 中，有一个光敏区域（硅外延层）和一个由移位寄存器制成的传输区域（准确地说是 CCD）。图像通过透镜投射到电容器阵列（光敏区域）上，使每个电容器积累与该位置的光强度成比例的电荷。线扫描相机中使用的一维阵列捕获图像的单个切片，而视频和静态相机中使用的二维阵列捕获与投影到焦平面上的场景相对应的二维图片传感器的。一旦阵列暴露于图像，控制电路就会使每个电容器将其内容传输到其相邻电容器（作为移位寄存器运行）。阵列中的最后一个电容器将其电荷转储到电荷放大器中，电荷放大器将电荷转换为电压。通过重复这个过程，控制电路将半导体中阵列的全部内容转换为电压序列。在数字设备中，这些电压随后被采样、数字化，并且通常存储在存储器中；在模拟设备（例如模拟摄像机）中，它们被处理成连续的模拟信号（例如，通过将电荷放大器的输出馈入低通滤波器），然后将其处理并馈送到其他电路以用于传输、记录或其他处理。

2.2 CMOS（互补金属氧化物半导体）

• CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)指的是一种半导体技术。在数字影像领域，CMOS作为一种低成本的感光元件技术被发展出来，市面上常见的数码产品，其感光元件大部分是CMOS。CMOS制造工艺被应用于制作数码影像器材的感光元件，是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能，再通过芯片内部的模/数转换器(A/D)将获得的影像讯号转变为数字信号输出。每个像素传感器单元都有一个光电探测器（通常是钉扎光电二极管）和一个或多个有源晶体管，这导致捕获光子的面积比 CCD 更小，但通过在每个光电二极管前面使用微透镜已经克服了这个问题，微透镜将光聚焦到光电二极管中，否则这些光会撞击放大器而不会被检测到。一些 CMOS 成像传感器还使用背面照明来增加撞击光电二极管的光子数量。与 CCD 传感器相比，CMOS 传感器可以使用更少的组件、使用更少的功耗和/或提供更快的读出速度来实现。它们也不易受到静电放电的影响。其中CCD基于MOS电容器，而CMOS传感器基于MOSFET (MOS场效应晶体管)放大器。在金属氧化物半导体(MOS) 有源像素传感器中，MOS 场效应晶体管(MOSFET) 用作放大器。APS 有不同类型，包括早期的NMOS APS 和现在更常见的互补 MOS (CMOS) APS，也称为CMOS传感器。

2.3 拜尔滤色镜

• 除了起感光作用的光电管以外，影像传感器还包括一系列的其他构件为了更好地利用光线。在每一像素前都装有微透镜，该透镜起到“捆绑”光束的作用。微透镜能够减少边缘光的损失。不同于传统胶片，影像传感器的光电二极管难以对倾斜射入的边缘光束加以利用，照片四周较暗。微透镜能使传感器边角处的光线也能垂直射入单个的光电管。单个光电管只能记录亮度值，也就是说，光电管是“色盲”。为了拍出彩色照片，在光电二极管的前一层加装了红、绿、蓝三原色滤色镜。
• 普通列表项目拜耳滤镜中，各滤镜之间的比例关系为红25%、蓝25%、绿50%。电脑屏幕上的所有色彩都是由这三种色彩按照不同比例混合而成的。如果三种色彩全部记录下最大光量，像素显示为白色。反之，如果三原色什么都没记录下来，像素显示为黑色。红、绿、蓝三种色彩相互叠加得到的各种色彩，涵盖了人眼视力所能感知的所有色彩。绿色之所以占到一半，是因为人眼对绿色更加敏感。传感器前装有一系列滤镜，用于消除不想要的效果。基本上每台数码相机都装有低通滤镜低通滤镜加装在相机的传感器前，允许低频光线通过，阻挡高频光线。低通滤镜的作用在于减弱摩尔纹。磨尔纹是一种因数码相机的感光元件受到高频干扰，而在图像上出现的彩色的、形状不规律的干涉条纹。如果数码相机感光元件的空间频率与被摄对象的空间频率接近，就会产生摩尔纹。如果镜头的分辨率小于感光元件的空间频率，影像中就不会出现与感光元件空间频率相近的条纹，也就不会产生摩尔纹。但是，目前的技术水平有限，只能靠加入低通滤镜来减弱摩尔纹。然而，低通滤镜有一弊端，那就是它会大大降低相机的成像锐度，影响画质。

3. 如何应用图像传感器？

车载：通过充分利用成像&感知技术来实现高安全性能，专注于增强车载娱乐。

• 数字视频接口（SerDes）
• 摩托车用显示器
• 车载摄像头/LiDAR

制造： 使用创新技术和广泛的产品来解决所有行业的生产力提高问题。

• 半导体制造
• 电子设备制造
• FPD制造
• 食品、医药品、化妆品制造
• 重工业、成套设备
• 环保型材料

智能交通系统

• 智能交通系统 （ITS）
• 行车记录仪

4. 图像传感器的供应商有哪些？

• Sony
• Samsung
• 海思半导体
• 意法半导体
• 美光