關(guān)于圖像傳感器的9個(gè)知識點(diǎn)(圖文)

典型圖像傳感器的核心是CCD單元（charge-coupled device，電荷耦合器件）或標準CMOS單元（complementary meta-oxide semiconductor，互補金屬氧化物半導體）。CCD和CMOS傳感器具有類(lèi)似的特性，它們被廣泛應用于商業(yè)攝像機上。不過(guò)，現代多數傳感器均使用CMOS單元，這主要是出于制造方面的考慮。傳感器和光學(xué)器件常常整合在一起用于制造晶片級攝像機，這種攝像機被用在類(lèi)似于生物學(xué)或顯微鏡學(xué)等領(lǐng)域，如圖1所示。

圖1：整合了光學(xué)器件和顏色過(guò)濾器的圖像傳感器的常用排列

圖像傳感器是為滿(mǎn)足不同應用的特殊目標而設計的，它提供了不同級別的靈敏度和質(zhì)量。想要熟悉各種傳感器，可查閱其廠(chǎng)商信息。例如，為了在硅基模和動(dòng)態(tài)響應（用于實(shí)現光強度和顏色檢測）之間有一個(gè)最好的折中，對一個(gè)特定的半導體制造過(guò)程，需優(yōu)化每個(gè)光電二極管傳感器單位的大小和組成成分。

對計算機視覺(jué)而言，采樣理論的效果具有重要意義，如目標場(chǎng)景的像素范圍就會(huì )用到Nyquist頻率。傳感器分辨率和光學(xué)器件能一起為每個(gè)像素提供足夠的分辨率，以便對感興趣特征進(jìn)行成像，因此有這樣的結論：興趣特征的采樣（或成像）頻率應該是重要像素（對感興趣的特征而言）中最小像素大小的兩倍。當然，對成像精度而言，兩倍的過(guò)采樣僅僅是一個(gè)最低目標，在實(shí)際應用中，并不容易決定單像素寬度的特征。

對于給定的應用，要取得最好的結果，需校準攝像機系統，以便在不同光照和距離條件下確定像素位深度（bit depth）的傳感器噪聲以及動(dòng)態(tài)范圍。為了能處理傳感器對任何顏色通道所產(chǎn)生的噪聲和非線(xiàn)性響應，并且檢測和校正像素壞點(diǎn)、處理幾何失真的建模，需發(fā)展合適的傳感器處理方法。如果使用測試模式來(lái)設計一個(gè)簡(jiǎn)單標定方法，這種方法在灰度、顏色、特征像素大小等方面具有由細到粗的漸變，就會(huì )看到結果。

1、傳感器材料

硅制圖像傳感器應用最廣，當然也會(huì )使用其他材料，比如在工業(yè)和軍事應用中會(huì )用鎵（Ga）來(lái)覆蓋比硅更長(cháng)的紅外波長(cháng)。不同的攝像機，其圖像傳感器的分辨率會(huì )有所不同。從單像素光電晶體管攝像機（它通過(guò)一維直線(xiàn)掃描陣列用于工業(yè)應用），到普通攝像機上的二維長(cháng)方形陣列（所有到球形整列的路徑均用于高分辨率成像），都有可能用到。（本章最后會(huì )介紹傳感器配置和攝像機配置）。

普通成像傳感器采用CCD、CMOS、BSI和Foveon方法進(jìn)行制造。硅制圖像傳感器具有一個(gè)非線(xiàn)性的光譜響應曲線(xiàn)，這會(huì )很好地感知光譜的近紅外部分，但對藍色、紫色和近紫外部分就感知得不好（如圖2所示）。

圖2：幾種硅光電二極管的典型光譜響應�？梢宰⒁獾�，光電二極管在900納米附近的近紅外范圍內 具有高的敏感度，而在橫跨400納米～700納米的可見(jiàn)光范圍內具有非線(xiàn)性的敏感度。 由于標準的硅響應的緣故，從攝像機中去掉IR濾波器會(huì )增加近紅外的靈敏度。（光譜數據圖像的使用已獲得OSI光電股份有限公司的許可）

注意，當讀入原始數據，并將該數據離散化成數字像素時(shí)，會(huì )導致硅光譜響應。傳感器制造商在這個(gè)區域做了設計補償，然而，當根據應用標定攝像機系統并設計傳感器處理方法時(shí)，應該考慮傳感器的顏色響應。

2、傳感器光電二極管元件

圖像傳感器的關(guān)鍵在于光電二極管的大小或元件的大小。使用小光電二極管的傳感器元件所捕獲的光子數量沒(méi)有使用大的光電二極管多。如果元件尺寸小于可捕獲的可見(jiàn)光波長(cháng)（如長(cháng)度為400納米的藍光），那么為了校正圖像顏色，在傳感器設計中必須克服其他問(wèn)題。傳感器廠(chǎng)商花費大量精力來(lái)設計優(yōu)化元件大小，以確保所有的顏色能同等成像（如圖3所示）。在極端的情況下，由于缺乏累積的光子和傳感器讀出噪聲，小的傳感器可能對噪聲更加敏感。如果二極發(fā)光管傳感器元件太大，那么硅材料的顆粒大小和費用會(huì )增加，這沒(méi)有任何優(yōu)勢可言。一般商業(yè)傳感器設備具有的傳感器元件大小至少為1平方微米，每個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)商會(huì )不同，但為了滿(mǎn)足某些特殊的需求會(huì )有一些折中。

圖3：基本顏色的波長(cháng)分配。注意，基本顏色區域相互重疊， 對所有的顏色而言，綠色是一個(gè)很好的單色替代品

3、傳感器配置：馬賽克、Faveon和BSI

圖4顯示了多光譜傳感器設計的不同片內配置，包括馬賽克和堆疊方法。在馬賽克方法中，顏色過(guò)濾器被裝在每個(gè)元件的馬賽克模式上。Faveon傳感器堆疊方法依賴(lài)于顏色波長(cháng)深度滲透到半導體材料的物理成分，其中每種顏色對硅材料進(jìn)行不同程度的滲透，從而對各自的顏色進(jìn)行成像。整個(gè)元件大小可適用于所有顏色，所以不需要為每種顏色分別配置元件。

圖4：（左圖）堆疊RGB元件的Foveon方法：在每個(gè)元件位置都有RGB顏色， 并在不同的深度吸收不同的波長(cháng)；（右圖）標準的馬賽克元件：在每個(gè)光電二極管上面放置一個(gè)RGB濾波器，每個(gè)濾波器只允許特定的波長(cháng)穿過(guò)每個(gè)光電二極管

反向照明（back-side illuminated，BSI）傳感器結構具有更大的元件區域，并且每個(gè)元件要聚集更多的光子，因而在晶粒上重新布置了傳感器接線(xiàn)。

傳感器元件的布置也影響到顏色響應。例如，圖5顯示了基本顏色（R、G、B）傳感器以及白色傳感器的不同排列，其中白色傳感器（W）有一個(gè)非常清晰或非彩色的顏色濾波器。傳感器的排列考慮到了一定范圍的像素處理，如在傳感器對一個(gè)像素信息的處理過(guò)程中，會(huì )組合在鄰近元件的不同配置中所選取的像素，這些像素信息會(huì )優(yōu)化顏色響應或空間顏色分辨率。實(shí)際上，某些應用僅僅使用原始的傳感器數據并執行普通的處理過(guò)程來(lái)增強分辨率或者構造其他顏色混合物。

圖5：元件顏色的幾個(gè)不同馬賽克配置，包括白色、基本RGB顏色和次要CYM元件。 每種配置為傳感器處理過(guò)程優(yōu)化顏色或空間分辨率提供了不同的方法（圖像來(lái)自于《Building Intelligent Systems》一書(shū)，并得到Intel出版社的使用許可）。

整個(gè)傳感器的大小也決定了鏡頭的大小。一般來(lái)說(shuō)，鏡頭越大通過(guò)的光越多，因此，對攝影應用而言，較大的傳感器能更好地適用于數字攝像機。另外，元件在顆粒上排列的縱橫比（aspect ratio）決定了像素的幾何形狀，如，4：3和3:2的縱橫比分別用于數字攝像機和35毫米的膠片。傳感器配置的細節值得讀者去理解，這樣才能夠設計出最好的傳感器處理過(guò)程和圖像預處理程序。

4、動(dòng)態(tài)范圍和噪聲

當前，最先進(jìn)的傳感器每個(gè)顏色單元能提供至少8個(gè)比特位，通常是12～14個(gè)比特位。傳感器元件需要花費空間和時(shí)間來(lái)聚集光子，所以較小的元件必須經(jīng)過(guò)精心設計，以避免產(chǎn)生一些問(wèn)題。噪聲可能來(lái)自于所用的光學(xué)元件、顏色濾波器、傳感器元件、增益和A/D轉換器、后期處理過(guò)程或者壓縮方法等。傳感器的讀出噪聲也會(huì )影響到實(shí)際的分辨率，因為每個(gè)像素單元從傳感器中讀出再傳到A/D轉換器中，從而組成數字形式的行和列，以便用于像素轉換。越好的傳感器會(huì )產(chǎn)生越少的噪聲，同時(shí)會(huì )得到更高效的比特分辨率。Ibenthal 的工作是降噪方面的好文獻。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持