图像传感器是电子元器件热门的方向之一，无论是智能手机、安防监控、汽车电子还是工业应用，都在大量采用，而且增速惊人。手机应用上已经普及了多摄像头，但是单看传感器的成本，五摄手机的图像传感器加起来，未必比一颗普通工业用传感器贵，而单颗高速、高分辨率工业图像传感器价格则要到几千美元，比主流旗舰手机整机还贵。
本期，英莱小编带您了解工业视觉技术的核心部件——图像传感器
定义：
成像物镜将外界照明光照射下的（或自身发光的）景物成像在物镜的像面上，形成二维空间的光强分布（光学图像）。能够将二维光强分布的光学图像转变成一维时序电信号的传感器称为图像传感器。图像传感器，是组成数字摄像头的重要组成部分。
根据元件的不同，图像传感器通常可分为两大类：
●CCD（电荷耦合器件 Charge-Coupled Device）
●CMOS（互补性金属氧化物半导体元件 Complementary Metal-Oxide Semiconductor）
无论是CCD还是CMOS，都是用光电二极管来感光的，那么二者的区别究竟在哪里呢？
● CCD传感器的像素单元，没有独立的读出端，光照射每个像素产生电荷，并累积。由于CCD只有一个读出端口，因此需要串行的将每个像素的电荷在像素之间进行转移到输出端口。将电荷转换为电压，进行放大和AD转换得到图像。就像是接力，将整列的电荷全部传输给读出端，整列的电荷，全部转换为电压。
● CMOS的传输简单，每个像素都有自己的电荷电压转换器，每个像素，单独完成电荷转换成电压。因此造成了很多独特的优缺点。
可以这样理解：CCD的像素信号，是电子包，而COMS的信号，是电压。CCD和CMOS本质上讲，都是光电二极管感光，主要差别主要在周边电路上。
技术的角度比较，CCD与CMOS的区别有如下四个方面的不同：
CCD电荷耦合器存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂。CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单，速度比CCD电荷耦合器快很多。
CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电，耗电量较大；CMOS光电传感器部分只需使用一个电源，耗电量小，仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。
CCD电荷耦合器制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS光电传感器集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。近年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。
早期的CCD与COMS成像对比
功耗、良品率这几点可以说是CCD传感器的死穴了，功耗高的主要原因是因为CCD的放大策略，CMOS是直接像素单独放大，而CCD是一列（排）像素统一放大，就是这个过程，导致CCD需要加电压，让电荷转移到到输出端，高驱动电压的代价就是功耗感人。
同时，CMOS的坏点只会损坏单个像素，而CCD，则是损坏一个像素，就牺牲一排像素，原因就是电荷在整列（排）像素上转移，因此良品率和损坏率远比CMOS高。
近年来，随着背照式CMOS、堆栈式CMOS的出现解决了开口率问题，ADC内置，加强了前端读出噪声的控制，还有pinned二极管ppd像素结构的出现，极大抑制了暗电流，诸多新技术让CMOS以肉眼可见的速度赶超CCD，甚至出现了超越。
不管是CCD还是CMOS图像传感器，主要有“分辨率、靶面尺寸（光学尺寸）、像素大小、曝光方式、帧率、信噪比、动态范围。
分辨率
传感器上有许多感光单元，它们可以将光线转换成电荷，从而形成对应于景物的电子图像。而在传感器中，每一个感光单元对应一个像素(Pixels)，像素越多，代表分辨率越高，着它能够感测到更多的物体细节，从而图像就越清晰。
100W像素摄像机分辨率是1280X720，两个值相乘得出的就是像素值，就是近100万个像素点，130W的分辨率是1280X960,像素值就是近130万个像素点。从图像效果上看，130W的效果比100W的要好一些。
靶面尺寸
图像传感器感光部分的大小，一般用英寸来表示。和电视机一样，通常这个数据指的是这个图像传感器的对角线长度，如 常见的有1/3英寸，同一规格传感器，靶面越大，意味着信息采集量越大，相应的图像动态范围越好，成像质量越好。
像素大小
靶面尺寸和像素是决定成像质量的一对关系。只有两个同时看，才能理论上估算出成像质量。图像传感器中单个像素的面积越大，它的感光性能就越好，反映到我们用的摄像机上，就是“高低分明”相对好一些。
例如，就同样大小CCD，假设单位面积上CCD像素是标清的720*576标准的话，那同样大小面积上的CCD像素要做到HDV标准1440*1080的话，那后者的单个像素面积一定是小于前面的。
曝光方式
机器视觉行业，对于CCD或者CMOS来说，曝光只有两种，一种是全局曝光（Global shutter），另一种是滚动曝光（Rolling shutter）。全局曝光可以理解为整帧图像同时曝光，同时定格；滚动曝光是整幅图像从上到下一行一行的曝光，每行之间都有时间差。
对于拍摄运动物体尤其是快速运动物体，除了曝光时间要尽量低之外，还要尽量用全局曝光相机，曝光时间低是为了避免运动模糊，选择全局曝光是为了避免变形。根据上面描述的原理，拍摄运动物体，如果用滚动曝光，每一行定格的时间都是不同的，所以物体会产生类似平行四边形的扭曲变形。
帧率
既指单位时间所记录或者播放的图片的数量。连续播放一系列图片就会产生动画效果，根据人类的视觉系统，当图片的播放速度大于15幅/秒（即15帧）的时候， 人眼就基本看不出来图片的跳跃；在达到24幅/s～30幅/s（即24帧到30帧）之间时就已经基本觉察不到闪烁现象了。
每秒的帧数(fps)或者说帧率表示图形传感器在处理场时每秒钟能够更新的次数。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的视觉体验。
是信号电压对于噪声电压的比值对数，信噪比的单位用dB来表示，信噪比的典型值为45～55dB，若为50dB，则图像有少量噪声，但图像质量良好；若为60dB，则图像质量优良，不出现噪声，信噪比越大说明对噪声的控制越好。这个参数关系到图像中噪点的数量，信噪比越高，给人感觉画面越干净，夜视的画面中点状的噪点就越少。
动态范围
它是指感光材料所能同时记录的暗到亮的亮度级别的范围。处于这个范围之外的亮度，感光材料已经无法记录下其影像，因此将其表现为死黑（如果更暗）或死白（如果更亮）。动态范围可以直接用光比来表示，但更方便的是用光圈的档数差来表示。
在现实中，一幅图像会同时具有亮和暗的区域，它们之间的差距可能是很大的，机器视觉系统所采集的图像应尽可能地反映出这种灰度的变化范围。此外，在现实中图像灰度的微小变化，可能就是机器视觉系统要区别的目标和背景的界限，所以机器视觉系统也应尽可能地将图像中灰度的细微变化反映出来。
—— END ——
以客户为中心 以技术为核心
图像传感器是电子元器件热门的方向之一，无论是智能手机、安防监控、汽车电子还是工业应用，都在大量采用，而且增速惊人。手机应用上已经普及了多摄像头，但是单看传感器的成本，五摄手机的图像传感器加起来，未必比一颗普通工业用传感器贵，而单颗高速、高分辨率工业图像传感器价格则要到几千美元，比主流旗舰手机整机还贵。
本期，英莱小编带您了解工业视觉技术的核心部件——图像传感器
定义：
成像物镜将外界照明光照射下的（或自身发光的）景物成像在物镜的像面上，形成二维空间的光强分布（光学图像）。能够将二维光强分布的光学图像转变成一维时序电信号的传感器称为图像传感器。图像传感器，是组成数字摄像头的重要组成部分。
根据元件的不同，图像传感器通常可分为两大类：
●CCD（电荷耦合器件 Charge-Coupled Device）
●CMOS（互补性金属氧化物半导体元件 Complementary Metal-Oxide Semiconductor）
无论是CCD还是CMOS，都是用光电二极管来感光的，那么二者的区别究竟在哪里呢？
● CCD传感器的像素单元，没有独立的读出端，光照射每个像素产生电荷，并累积。由于CCD只有一个读出端口，因此需要串行的将每个像素的电荷在像素之间进行转移到输出端口。将电荷转换为电压，进行放大和AD转换得到图像。就像是接力，将整列的电荷全部传输给读出端，整列的电荷，全部转换为电压。
● CMOS的传输简单，每个像素都有自己的电荷电压转换器，每个像素，单独完成电荷转换成电压。因此造成了很多独特的优缺点。
可以这样理解：CCD的像素信号，是电子包，而COMS的信号，是电压。CCD和CMOS本质上讲，都是光电二极管感光，主要差别主要在周边电路上。
技术的角度比较，CCD与CMOS的区别有如下四个方面的不同：
CCD电荷耦合器存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂。CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单，速度比CCD电荷耦合器快很多。
CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电，耗电量较大；CMOS光电传感器部分只需使用一个电源，耗电量小，仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。
CCD电荷耦合器制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS光电传感器集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。近年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。
早期的CCD与COMS成像对比
功耗、良品率这几点可以说是CCD传感器的死穴了，功耗高的主要原因是因为CCD的放大策略，CMOS是直接像素单独放大，而CCD是一列（排）像素统一放大，就是这个过程，导致CCD需要加电压，让电荷转移到到输出端，高驱动电压的代价就是功耗感人。
同时，CMOS的坏点只会损坏单个像素，而CCD，则是损坏一个像素，就牺牲一排像素，原因就是电荷在整列（排）像素上转移，因此良品率和损坏率远比CMOS高。
近年来，随着背照式CMOS、堆栈式CMOS的出现解决了开口率问题，ADC内置，加强了前端读出噪声的控制，还有pinned二极管ppd像素结构的出现，极大抑制了暗电流，诸多新技术让CMOS以肉眼可见的速度赶超CCD，甚至出现了超越。
不管是CCD还是CMOS图像传感器，主要有“分辨率、靶面尺寸（光学尺寸）、像素大小、曝光方式、帧率、信噪比、动态范围。
分辨率
传感器上有许多感光单元，它们可以将光线转换成电荷，从而形成对应于景物的电子图像。而在传感器中，每一个感光单元对应一个像素(Pixels)，像素越多，代表分辨率越高，着它能够感测到更多的物体细节，从而图像就越清晰。
100W像素摄像机分辨率是1280X720，两个值相乘得出的就是像素值，就是近100万个像素点，130W的分辨率是1280X960,像素值就是近130万个像素点。从图像效果上看，130W的效果比100W的要好一些。
靶面尺寸
图像传感器感光部分的大小，一般用英寸来表示。和电视机一样，通常这个数据指的是这个图像传感器的对角线长度，如 常见的有1/3英寸，同一规格传感器，靶面越大，意味着信息采集量越大，相应的图像动态范围越好，成像质量越好。
像素大小
靶面尺寸和像素是决定成像质量的一对关系。只有两个同时看，才能理论上估算出成像质量。图像传感器中单个像素的面积越大，它的感光性能就越好，反映到我们用的摄像机上，就是“高低分明”相对好一些。
例如，就同样大小CCD，假设单位面积上CCD像素是标清的720*576标准的话，那同样大小面积上的CCD像素要做到HDV标准1440*1080的话，那后者的单个像素面积一定是小于前面的。
曝光方式
机器视觉行业，对于CCD或者CMOS来说，曝光只有两种，一种是全局曝光（Global shutter），另一种是滚动曝光（Rolling shutter）。全局曝光可以理解为整帧图像同时曝光，同时定格；滚动曝光是整幅图像从上到下一行一行的曝光，每行之间都有时间差。
对于拍摄运动物体尤其是快速运动物体，除了曝光时间要尽量低之外，还要尽量用全局曝光相机，曝光时间低是为了避免运动模糊，选择全局曝光是为了避免变形。根据上面描述的原理，拍摄运动物体，如果用滚动曝光，每一行定格的时间都是不同的，所以物体会产生类似平行四边形的扭曲变形。
帧率
既指单位时间所记录或者播放的图片的数量。连续播放一系列图片就会产生动画效果，根据人类的视觉系统，当图片的播放速度大于15幅/秒（即15帧）的时候， 人眼就基本看不出来图片的跳跃；在达到24幅/s～30幅/s（即24帧到30帧）之间时就已经基本觉察不到闪烁现象了。
每秒的帧数(fps)或者说帧率表示图形传感器在处理场时每秒钟能够更新的次数。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的视觉体验。
是信号电压对于噪声电压的比值对数，信噪比的单位用dB来表示，信噪比的典型值为45～55dB，若为50dB，则图像有少量噪声，但图像质量良好；若为60dB，则图像质量优良，不出现噪声，信噪比越大说明对噪声的控制越好。这个参数关系到图像中噪点的数量，信噪比越高，给人感觉画面越干净，夜视的画面中点状的噪点就越少。
动态范围
它是指感光材料所能同时记录的暗到亮的亮度级别的范围。处于这个范围之外的亮度，感光材料已经无法记录下其影像，因此将其表现为死黑（如果更暗）或死白（如果更亮）。动态范围可以直接用光比来表示，但更方便的是用光圈的档数差来表示。
在现实中，一幅图像会同时具有亮和暗的区域，它们之间的差距可能是很大的，机器视觉系统所采集的图像应尽可能地反映出这种灰度的变化范围。此外，在现实中图像灰度的微小变化，可能就是机器视觉系统要区别的目标和背景的界限，所以机器视觉系统也应尽可能地将图像中灰度的细微变化反映出来。
—— END ——
