了解数字图像传感器

图像传感器可以按多种方式分类，如其结构类型(CCD或CMOS)、频谱类型(彩色或黑白)或快门类型(全局或卷帘快门)。它们也可以按照分辨率、帧率、像素大小和传感器格式进行分类。了解这些术语可以帮助您更好地了解哪种传感器最适合您应用。

无论其分类如何，图像传感器的用途相同；将入射光（光子）转换为可以查看、分析或存储的电气信号。 图像传感器是一种固态设备，是机器视觉相机中最重要的组件之一。 每年都会制造出新的传感器品种，以改善传感器的尺寸，分辨率，速度和光敏度。 在本文中，我们讨论了机器视觉相机中的一些图像传感器技术的基本知识，以及这些技术与它们的分类之间的关系。

图像传感器组件

下面是典型的CMOS图像传感器。传感器芯片与保护玻璃封装在一起。封装套件具有将传感器连接到PCB的触点垫。

固态图像传感器芯片包含由光敏感元件、微透镜和微电元件组成的像素。 芯片由半导体公司制造，并从晶圆上切割下来。 焊接的导线将信号从管芯（Die）传输到芯片背面的触点垫。 该包装可保护传感器芯片和焊线免受物理和环境损害，提供散热功能，并包括用于信号传输的互连电子设备。 包装前面的透明窗口称为盖玻片，可保护传感器芯片和电线，同时允许光线到达感光区域。

不同的传感器采用不同的封装。 例如，左图的照片是带陶瓷PGA封装的传感器。

硅晶圆的图像传感器

传感器管芯（Sensor Dies）在硅晶片上大批量生产。 晶片被切割成多块，每一块都包含一个传感器芯片。传感器芯片管芯尺寸越大，每个晶片的芯片数量就越少。这通常会导致更高的成本。晶圆上的单个缺陷将更有较大的可能影响较大的图像传感器。

相机中的传感器功能

在相机系统中，图像传感器接收通过镜头或其他光学器件聚焦的入射光（光子）。 根据传感器是CCD还是CMOS，它将电压或数字信号形式的信息传输到下一级。 CMOS传感器使用片内模拟数字转换器(ADC)将光子转换为电子，然后转换为电压，然后转换为数字值。

根据相机制造商的不同，所使用的总体布局和组件也会有所不同。这种布局的主要目的是将光转换为数字信号，然后可以对其进行分析以触发将来的动作。消费级相机将具有图像存储（存储卡），查看（嵌入式LCD）以及机器视觉相机没有的控制旋钮和开关的其他组件。

CCD和CMOS之间的差异

CCD传感器（电荷耦合器件）同时开始和停止所有像素的曝光。 这被称为全局快门。 CCD然后将此曝光电荷转移到水平移位寄存器，然后将其发送到浮动扩散放大器。

CCD特性：
• 全局快门
• 低噪声
• 高动态范围
• 中范围帧率
• 容易产生拖影Smearing

过去，CMOS传感器(互补金属-氧化物半导体)只能一次开始和停止一行像素的曝光，这被称为卷帘快门。随着时间的推移，这中情况发生了变化，现在市场上已有许多全局快门CMOS传感器。CMOS传感器为每个像素列使用较小的ADC，从而提供比CCD高的帧速率。多年来，CMOS传感器经历了重大改进，使大多数现代CMOS传感器在图像质量，图像速度和整体价值方面均与CCD相同或优于CCD。

现代CMOS特性：
• 全局快门和卷帘快门
• 低噪声至极低噪声
• 高至极高的动态范围
• 超高的帧率
• 无拖影No Smearing

黑白和彩色传感器

对于可见光传感器（非红外，紫外线或X射线），主要有两种类型：彩色和黑白。彩色传感器在微透镜下方有一个额外的层，称为彩色滤光片，它吸收不需要的彩色波长，从而使每个像素对特定的彩色波长敏感。对于黑白传感器，没有彩色滤光片，因此每个像素对所有可见光波长都敏感。

对于右上方所示的彩色传感器示例，使用的滤色器阵列是拜耳滤波器模式。 此滤波器模式使用50%绿色、25%红色和25%蓝色阵列。尽管大多数彩色相机使用拜耳滤波器模式，但还有其他滤波器模式可用，它们具有不同的排列模式和RGB安排。

对于某些传感器，尤其是像素尺寸较小的传感器，附加的微透镜可用于帮助将光子引导到光电二极管中。

图像传感器格式（尺寸）

图像传感器具有不同的格式类型（也称为光学格式，传感器尺寸或类型）和封装。分辨率和像素大小将决定传感器的整体大小，较大的传感器比较小的传感器具有更高的分辨率或更大的像素大小。了解传感器格式对于选择相机的镜头和光学元件很重要。所有镜头均针对特定的传感器格式和分辨率而设计。请注意，传感器格式仅描述传感器芯片的区域，而不描述整个传感器封装。

以下是CMOS传感器的示例，其类型为2/3英寸。但是，管芯（Die）的实际对角线尺寸仅为0.43英寸（11毫米）。当前的传感器“英寸”类型不是传感器的实际对角线尺寸。传感器格式类型似乎有些含糊，但实际上是基于旧的视频摄象机管，英寸测量是指视频管的外径。下图显示了最常见的传感器格式类型及其实际传感器对角线尺寸（毫米）的图表。

传感器像素尺寸

像素尺寸以微米(µm)测量，包括光电二极管和周围电子元件的整个面积。 CMOS像素由光电二极管、放大器、复位门、传输门和浮动扩散组成。 然而，这些元素可能并不总是在每个像素内，因为它们也可以在像素之间共享。 下图显示了CMOS黑白和彩色像素的简化布局。

通常，较大的像素尺寸更适合提高光敏性，因为光电二极管有更大区域可接收光线。 如果传感器格式保持不变，但分辨率增加像素尺寸必须减小。 尽管这可能会降低传感器的灵敏度，但像素结构，降噪技术和图像处理方面的改进已帮助缓解了这种情况。为了更准确地了解传感器的灵敏度，最好参考传感器的光谱响应（量子效率）以及其他传感器性能结果。

黑白和彩色光谱响应

由于黑白传感器和彩色传感器之间的物理差异，以及传感器制造商的技术和像素结构之间的差异，因此不同的传感器将在不同程度上感应光。一种更准确地了解传感器对光敏感度的方法是读取其光谱响应图（也称为量子效率图）。

下面的两个图表是同一传感器型号的黑白和彩色版本。左侧显示黑白传感器的光谱响应，右侧显示彩色传感器。X轴是波长（nm），Y轴是量子效率（％）。大多数机器视觉彩色相机都安装了红外截止滤光片，以阻挡近红外波长。这样可以消除图像中的红外噪声和颜色交叉现象，与人眼对颜色的感知方式最匹配。但是，在许多应用中，没有IR截止滤镜的情况下成像可能会更有益。无论是否安装了红外截止滤光片，彩色传感器都不会像黑白传感器那样灵敏。

量子效率越高，传感器对光的感应就越好。

全局与卷帘快门

传感器的重要功能是其快门类型。电子快门的两种主要类型是 全局快门和卷帘快门。这些快门类型在其操作和最终成像结果上是不同的，尤其是在照相机或目标处于运动状态时。让我们详细了解它们如何工作以及这如何影响成像。像。

结论

如果您只是开始探索机器视觉相机的世界，那么以上信息对于理解机器视觉行业如何对传感器进行分类是一个很好的起点。了解数字传感器中的术语和技术将使您能够更好地为您的应用找到合适的相机。例如，某些传感器规格，例如像素大小和传感器格式，将在选择正确的镜头时起重要作用。此外，随着新传感器技术的出现，您将更好地了解它是否对您的应用有利。如果您准备讨论相机要求，请联系我们经验丰富的销售人员。

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