圖像sensor的工作原理
來源:深圳市凱茉銳電子科技有限公司2020-08-15
按照其采用的感光器件來分,有CCD和CMOS之分:CCD(Charge Coupled Device,電荷耦合組件)使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成,能把光線轉(zhuǎn)變成電荷,通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存,因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī),并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段,根據(jù)需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成,當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí),每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上,所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起,就構(gòu)成了一幅完整的畫面。它就像傳統(tǒng)相機(jī)的底片一樣的感光系統(tǒng),是感應(yīng)光線的電路裝置,你可以將它想象成一顆顆微小的感應(yīng)粒子,鋪滿在光學(xué)鏡頭后方,當(dāng)光線與圖像從鏡頭透過、投射到CCD表面時(shí),CCD就會(huì)產(chǎn)生電流,將感應(yīng)到的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成數(shù)碼資料儲(chǔ)存起來。CCD像素?cái)?shù)目越多、單一像素尺寸越大,收集到的圖像就會(huì)越清晰。因此,盡管CCD數(shù)目并不是決定圖像品質(zhì)的唯一重點(diǎn),我們?nèi)匀豢梢园阉?dāng)成相機(jī)等級(jí)的重要判準(zhǔn)之一。目前掃描機(jī)、攝錄放一體機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)多數(shù)配備CCD。
CCD經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)35年的發(fā)展,大致的形狀和運(yùn)作方式都已經(jīng)定型。CCD 的組成主要是由一個(gè)類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及墊于最底下的電子線路矩陣所組成。目前有能力生產(chǎn) CCD 的公司分別為:SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp,大半是日本廠商。
CMOS(Complementary etal-Oxide Semiconductor,附加金屬氧化物半導(dǎo)體組件)和CCD一樣同為在數(shù)碼相機(jī)中可記錄光線變化的半導(dǎo)體。CMOS的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)芯片沒什么差別,主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體,使其在CMOS上共存著帶N(帶–電) 和 P(帶+電)級(jí)的半導(dǎo)體,這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和解讀成影像。然而,CMOS的缺點(diǎn)就是太容易出現(xiàn)雜點(diǎn), 這主要是因?yàn)樵缙诘脑O(shè)計(jì)使CMOS在處理快速變化的影像時(shí),由于電流變化過于頻繁而會(huì)產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象。
CCD和CMOS各自的利弊,我們可以從技術(shù)的角度來比較兩者主要存在的區(qū)別:
信息讀取方式不同。CCD傳感器存儲(chǔ)的電荷信息需在同步信號(hào)控制下一位一位的實(shí)施轉(zhuǎn)移后讀取,電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時(shí)鐘控制電路和三組不同的電源相配合,整個(gè)電路較為復(fù)雜。CMOS傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流(或電壓)信號(hào),信號(hào)讀取十分簡(jiǎn)單。
速度有所差別。CCD傳感器需在同步時(shí)鐘的控制下以行為單位一位一位的輸出信息,速度較慢;而CMOS傳感器采集光信號(hào)的同時(shí)就可以取出電信號(hào),還能同時(shí)處理各單元的圖象信息,速度比CCD快很多。
電源及耗電量。CCD傳感器電荷耦合器大多需要三組電源供電,耗電量較大;CMOS傳感器只需使用一個(gè)電源,耗電量非常小,僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10,CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢(shì)。
成像質(zhì)量。CCD傳感器制作技術(shù)起步較早,技術(shù)相對(duì)成熟,采用PN結(jié)合二氧化硅隔離層隔離噪聲,成像質(zhì)量相對(duì)CMOS傳感器有一定優(yōu)勢(shì)。由于CMOS傳感器集成度高,光電傳感元件與電路之間距離很近,相互之間的光、電、磁干擾較為嚴(yán)重,噪聲對(duì)圖象質(zhì)量影響很大。在相同分辨率下,CMOS價(jià)格比CCD便宜,但是CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CCD來說要低一些。到目前為止,市面上絕大多數(shù)的消費(fèi)級(jí)別以及高端數(shù)碼相機(jī)都使用CCD作為感應(yīng)器;CMOS感應(yīng)器則作為低端產(chǎn)品應(yīng)用于一些攝像頭上。是否具有CCD感應(yīng)器一度成為人們判斷數(shù)碼相機(jī)檔次的標(biāo)準(zhǔn)之一。而由于CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少,所以很多手機(jī)生產(chǎn)廠商采用的都是CMOS鏡頭?,F(xiàn)在,市面上大多數(shù)手機(jī)都采用的是CMOS攝像頭,少數(shù)也采用了CCD攝像頭。
光學(xué)變焦和數(shù)碼變焦原理
光學(xué)變焦(Optical Zoom)是通過鏡頭、物體和焦點(diǎn)三方的位置發(fā)生變化而產(chǎn)生的。當(dāng)成像面在水平方向運(yùn)動(dòng)的時(shí)候,如下圖,視覺和焦距就會(huì)發(fā)生變化,更遠(yuǎn)的景物變得更清晰,讓人感覺像物體遞進(jìn)的感覺。
顯而易見,要改變視角必然有兩種辦法,一種是改變鏡頭的焦距。用攝影的話來說,這就是光學(xué)變焦。通過改變變焦鏡頭中的各鏡片的相對(duì)位置來改變鏡頭的焦距。另一種就是改變成像面的大小,即成像面的對(duì)角線長(zhǎng)短在目前的數(shù)碼攝影中,這就叫做數(shù)碼變焦。實(shí)際上數(shù)碼變焦并沒有改變鏡頭的焦距,只是通過改變成像面對(duì)角線的角度來改變視角,從而產(chǎn)生了“相當(dāng)于”鏡頭焦距變化的效果。
所以我們看到,一些鏡頭越長(zhǎng)的數(shù)碼相機(jī),內(nèi)部的鏡片和感光器移動(dòng)空間更大,所以變焦倍數(shù)也更大。我們看到市面上的一些超薄型數(shù)碼相機(jī),一般沒有光學(xué)變焦功能,因?yàn)槠錂C(jī)身內(nèi)根部不允許感光器件的移動(dòng),而像索尼F828、富士S7000這些“長(zhǎng)鏡頭”的數(shù)碼相機(jī),光學(xué)變焦功能達(dá)到5、6倍。
數(shù)碼變焦(DigitalZoom)也稱為數(shù)字變焦,數(shù)碼變焦是通過數(shù)碼相機(jī)內(nèi)的處理器,把圖片內(nèi)的每個(gè)象素面積增大,從而達(dá)到放大目的。這種手法如同用圖像處理軟件把圖片的面積改大,不過程序在數(shù)碼相機(jī)內(nèi)進(jìn)行,把原來影像感應(yīng)器上的一部份像素使用“插值”處理手段做放大,將影像感應(yīng)器上的像素用插值算法將畫面放大到整個(gè)畫面。
與光學(xué)變焦不同,數(shù)碼變焦是在感光器件垂直方向向上的變化,而給人以變焦效果的。在感光器件上的面積越小,那么視覺上就會(huì)讓用戶只看見景物的局部。但是由于焦距沒有變化,所以,圖像質(zhì)量是相對(duì)于正常情況下較差。
通過數(shù)碼變焦,拍攝的景物放大了,但它的清晰度會(huì)有一定程度的下降,所以數(shù)碼變焦并沒有太大的實(shí)際意義。因?yàn)樘蟮臄?shù)碼變焦會(huì)使圖像嚴(yán)重受損,有時(shí)候甚至因?yàn)榉糯蟊稊?shù)太高,而分不清所拍攝的畫面。
Sensor內(nèi)部工作原理
外部光線穿過lens后,經(jīng)過color filter濾波后照射到Sensor面上, Sensor將從lens上傳導(dǎo)過來的光線轉(zhuǎn)換為電信號(hào),再通過內(nèi)部的DA轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。如果Sensor沒有集成DSP,則通過DVP的方式傳輸?shù)絙aseband,此時(shí)的數(shù)據(jù)格式是RAW RGB。
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