深度剖析：数字图像传感器

• 图像传感器核心组件详解

• 图像传感器：硅晶圆的杰作

• 相机内部传感器的工作原理

• CCD与CMOS的区别

• CCD

• CMOS

• 单色传感器VS彩色传感器

• 图像传感器尺寸（格式）详解

• 传感器像素尺寸详解

• 单色与彩色光谱响应解析

• 全局快门VS卷帘快门

• 全局快门

• 卷帘快门

深入理解数字图像传感器

传感器有多种分类方式，关键在于它们的结构类型（如CCD或CMOS）、色彩模式（彩色或单色）以及快门类型（全局快门或滚动快门）。

此外，分辨率、帧速率、像素尺寸和传感器格式也是重要的分类依据。掌握这些术语对于为特定应用挑选最合适的传感器至关重要。

以机器视觉为例，专业相机在其中发挥着举足轻重的作用。这些相机是专为工业应用打造的成像设备，不仅设计更为坚固，还提供了普通消费相机所不具备的一系列额外功能。

它们能够全天候运行，捕捉图像并将其传输至视觉系统进行处理。然而，并非简单地选择分辨率最高的机器视觉相机就是最佳选择。由于机器视觉相机中可选的传感器种类繁多，用户必须仔细研究，以确定哪种传感器规格最适合其应用需求。

但无论传感器如何分类，其核心目的始终如一：

将入射的光子（光）转换成可以查看、分析或存储的电信号。图像传感器是一种固态设备，也是机器视觉相机内部最为关键的组件之一。每年，我们都会看到新型传感器的问世，它们在尺寸、分辨率、速度和光敏性等方面都有所提升。

本文旨在深入探讨机器视觉相机内部的图像传感器技术基础，以及这些技术与传感器分类之间的关联。

图像传感器核心组件详解

这就是典型的CMOS图像传感器：其核心——传感器芯片，被精心安装在一个配备有保护玻璃的封装体内。这个封装体上设有接触垫，它们扮演着至关重要的角色——将传感器与PCB（印刷电路板）紧密相连，确保信号传输的准确无误。

固态图像传感器芯片，其核心在于那些由光敏元件、微透镜以及微型电子元件共同构成的像素。这些精密的芯片由专业的半导体公司精心打造，并从晶圆上精准切割而来。为了将信号从芯片内部顺畅地传递到背面的接触垫，我们采用了线焊技术。

封装，这一关键环节，为传感器芯片和线焊提供了坚实的保护屏障，使其免受物理损伤和环境因素的侵扰。同时，封装还具备出色的散热性能，并内置了用于信号传输的互连电子设备。在封装的前面，有一个透明的窗口，我们称之为盖玻片。它不仅能够保护传感器芯片和线缆的安全，还能确保光线顺利抵达感光区域。

值得注意的是，不同的传感器拥有各自独特的封装设计。例如，上面展示的照片中的传感器，就采用了陶瓷PGA封装。

图像传感器：硅晶圆的杰作

传感器芯片，这些精密的图像捕捉核心，是在硅晶圆上通过大规模生产方式精心打造而成的。每一块晶圆都被精细地切割成多个部分，而每一部分都蕴含着一个独立的传感器芯片。

这里有一个关键点：传感器芯片的尺寸越大，那么从同一块晶圆上能够获取的芯片数量就越少，这往往意味着更高的生产成本。更为棘手的是，晶圆上的任何微小瑕疵，对于大尺寸的图像传感器来说，造成影响的概率都会显著提升。

上图直观地展示了传感器芯片如何从晶圆上被精准切割并移除的过程。每一步都凝聚着科技与匠心的结晶，只为确保每一个传感器芯片都能达到最高的品质标准。

相机内部传感器的工作原理

在相机系统中，图像传感器扮演着至关重要的角色，它负责捕捉通过镜头或其他光学元件精准聚焦的入射光（光子）。

根据传感器是CCD还是CMOS的不同类型，它会将捕捉到的信息以电压或数字信号的形式，继续传递给系统的下一个处理阶段。

特别值得一提的是，CMOS传感器的工作流程相当精妙：它首先把光子转换成电子，接着再把这些电子转换成电压，最后，利用芯片内置的模数转换器（ADC），将电压精准地转换成数字值。

值得注意的是，不同相机制造商在设计和制造过程中，所采用的总体布局和组件配置会有所差异。但无论如何，这些布局的核心目的都是一致的：

那就是将捕捉到的光信号转换成数字信号，以便后续进行更深入的分析，并根据分析结果触发相应的操作。

与专业的机器视觉相机相比，消费级相机会额外配备一些实用的组件，比如用于存储图像的存储卡、方便查看图像的嵌入式LCD显示屏，以及一些机器视觉相机所不具备的控制旋钮和开关。

CCD与CMOS的区别

CCD

CCD传感器（电荷耦合器件）会同时启动和停止所有像素的曝光，这被称为全局快门。然后，CCD将曝光电荷转移到水平移位寄存器，再将其发送到浮置扩散放大器。注意：2015年，索尼宣布计划停止生产CCD，并在2026年前终止对CCD的支持。

CCD的特性包括：

• 全局快门：所有像素同时曝光，确保图像无畸变。• 低噪声：能有效减少图像中的噪声干扰，提升画质。• 高动态范围：能捕捉更宽广的亮度范围，从明亮的区域到阴暗的细节都能清晰呈现。• 中帧率：适用于多种拍摄场景，但可能不如某些高速传感器快。• 易受拖影影响：在某些情况下，可能会出现图像拖影现象。

CMOS

过去，互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器有个局限，那就是只能逐行启动和停止曝光，这种方式被称为卷帘快门。

但技术总是在进步，现在市场上已经涌现出众多全局快门CMOS传感器。这些CMOS传感器为每个像素列都配备了小巧的模数转换器（ADC），使得帧率能够远超CCD。多年来，CMOS传感器不断革新，现在，大多数现代CMOS传感器在图像质量、图像处理速度和性价比方面，不仅与CCD不相上下，甚至更胜一筹。

现代CMOS传感器的亮点包括：

• 全局快门与卷帘快门并存：满足从静态到动态、从室内到室外等多种拍摄场景的需求。• 超低噪声：大幅降低图像中的噪声，让画质更加纯净。• 超高动态范围：轻松捕捉从暗部到亮部的广阔亮度范围，图像细节更加丰富。• 超高帧率：轻松应对高速拍摄场景，定格每一个精彩瞬间。• 无拖影现象：确保图像清晰流畅，无畸变。

单色传感器VS彩色传感器

在可见光传感器（注意，这里说的是可见光，不是红外、紫外或X射线）的世界里，主要有两大阵营：彩色传感器和单色传感器。

彩色传感器，它们就像是精心打扮的小公主，每个像素前都配有一个专属的“化妆师”——彩色滤光片。这个滤光片可厉害了，它会过滤掉不需要的色光波长，让每个像素都只对特定的色光波长“情有独钟”。

而单色传感器呢，它们就像是素颜出镜的小姑娘，没有彩色滤光片的“装饰”，所以每个像素都非常“博爱”，对所有可见光波长都一视同仁，都能敏感地捕捉到。

这样一说，是不是觉得这两种传感器各有各的特色，各有各的魅力了？

对于某些传感器，尤其是像素尺寸较小的传感器，会使用额外的微透镜来帮助引导光子进入光电二极管。

图像传感器尺寸（格式）详解

图像传感器啊，它们可不是“千篇一律”的，而是有着各种各样的格式类型（也被叫做光学等级、传感器尺寸或类型）和封装样子。

那么，是什么决定了传感器的“大块头”或“小巧玲珑”呢？答案就是分辨率和像素尺寸啦！

一般来说，大尺寸传感器要么分辨率杠杠的，要么像素大大的，总之就是比小尺寸传感器要“牛”一些。

所以啊，当我们要给相机挑选镜头和光学元件时，了解传感器格式那可是超级重要的！

因为所有的镜头可都是“量身定制”的，专为特定的传感器格式和分辨率而生。不过呢，这里可得提个醒，传感器格式说的只是传感器芯片的面积大小，可不是整个传感器封装的“块头”哦！

下面给大家举个例子，这是一个被划分为2/3″格式的CMOS传感器。

当我们谈论传感器的尺寸时，经常会看到像“2/3″”这样的分类。但这里有一个重要的点需要明确：这个“英寸”分类并不是直接指传感器的实际对角线尺寸。

以2/3″格式的CMOS传感器为例，虽然它被归类为2/3″，但其芯片的实际对角线尺寸可能只有0.43″（或11mm）。这里的“2/3″”更多的是一个历史遗留的、基于老式摄像管的分类方式，其中“英寸”测量的是摄像管的外径，而不是传感器芯片的实际尺寸。

传感器像素尺寸详解

像素尺寸，这个咱们得搞清楚，它是用微米（µm）这个单位来衡量的，而且它可不只是光电二极管那么小，还包括了它周围一圈的电子元件所占的面积呢。

再来说说CMOS像素，它里头可热闹了，有光电二极管、放大器、复位门、传输门，还有个浮动扩散区，这些都是它的“家庭成员”。但这里得注意一下，这些“家庭成员”可不是每个像素家里都有的独栋小别墅，它们有时候也会在像素之间串串门，共享一下空间。

为了让大家更直观地看看CMOS像素家里到底是个啥布局，我特意准备了一张图表，上面清晰地展示了单色像素和彩色像素的简化结构。大家一看就明白了！

修正并加重重点的翻译：

一般来说，像素尺寸越大，光敏度就越高，这是因为光电二极管能够接收光的面积更大了。但是，如果我们保持传感器格式不变，却提高了分辨率，那就意味着每个像素的尺寸必须缩小。

这个问题涉及到数字成像的基本原理。让我来详细理一下：

像素尺寸与光敏度的关系：

• 像素尺寸越大，通常意味着光电二极管（负责将光转换为电信号的部分）的面积也越大。
• 更大的光电二极管面积能够捕获更多的光线，因此光敏度更高。

传感器格式、分辨率与像素尺寸的关系：

• 传感器格式通常指的是传感器的物理尺寸，比如全画幅、APS-C等。
• 分辨率则是指传感器上像素的总数，通常以百万像素（MP）为单位。
• 如果传感器格式保持不变，但分辨率提高，那么意味着在相同的物理面积内需要放置更多的像素。
• 为了实现这一点，每个像素的尺寸就必须缩小。

所以，当我们在保持传感器格式不变的情况下提高分辨率时，每个像素的尺寸就会减小，这样做可能会降低传感器的灵敏度。

不过好消息是，随着像素结构、降噪技术和图像处理技术的不断进步，这个问题已经得到了很大的缓解。为了更精准地掌握传感器的灵敏度，我们最好还是参考一下传感器的光谱响应（也就是量子效率）以及其他传感器性能指标。

单色与彩色光谱响应解析

由于单色传感器与彩色传感器在物理构造上存在根本差异，加上不同传感器制造商所采用的技术和像素结构设计各异，因此，各类传感器对光的感知敏感度也会大相径庭。

为了更精准地掌握传感器对光的敏感度，有一个非常实用的方法，那就是查阅其光谱响应图（这个专业名词也可以叫做量子效率图）。

量子效率图，也称为光谱响应图或光电转化效率图，是描述光电器件（如传感器）光电转换能力的一个重要图表。以下是对量子效率图的详细解释：

量子效率是指在某一特定波长下，单位时间内光电器件产生的平均光电子数与入射光子数之比。而量子效率图则是将不同波长下的量子效率以图表的形式展示出来，从而直观地反映光电器件在不同波长光照条件下的光电转换性能。

1. **评估光电器件性能**：通过量子效率图，可以直观地了解光电器件在不同波长下的光电转换效率，从而评估其性能优劣。
2. **优化光电器件设计**：根据量子效率图，可以找出光电器件在不同波长下的量子效率峰值，进而优化其设计，提高光电转换效率。
3. **选择适合的光电器件**：在特定应用场景下，可以根据量子效率图选择具有最高量子效率的光电器件，以满足应用需求。

### 特点

1. **波长范围**：量子效率图的X轴通常表示波长（单位：纳米），覆盖了光电器件可能接收到的所有波长范围。
2. **量子效率**：量子效率图的Y轴表示量子效率（单位：%），即光电器件在不同波长下的光电转换效率。
3. **曲线形状**：量子效率图通常呈现为一条曲线，反映了光电器件在不同波长下的量子效率变化情况。曲线的峰值表示光电器件在该波长下具有最高的光电转换效率。

### 应用

量子效率图在多个领域都有广泛的应用，包括但不限于：

1. **天文学**：用于评估和优化天文望远镜中的CCD和CMOS传感器，提高观测的灵敏度和图像质量。
2. **医学成像**：用于评估和优化医学成像探测器，提高成像分辨率和对比度，减少患者受到的辐射剂量。
3. **光通信**：用于优化光电探测器的设计和性能，提高光信号的接收灵敏度和传输距离。
4. **环境监测**：用于提高环境监测系统的检测灵敏度和精度，支持多光谱监测和便携式监测设备的发展。

### 注意事项

1. **测量条件**：量子效率图的测量需要在标准条件下进行，以确保测量结果的准确性和可比性。
2. **校准**：在测量量子效率之前，需要对测量系统进行校准，以确保测量结果的准确性。
3. **解释图表**：在解释量子效率图时，需要注意图表中的单位、坐标轴标签和刻度等信息，以确保正确理解和分析图表数据。

>量子效率图是描述光电器件光电转换能力的重要图表，具有广泛的应用价值和意义。

接下来，咱们来看看下面这两张图表。它们分别展示了同一传感器型号的单色和彩色版本的光谱响应情况。左边这张是单色传感器的，右边则是彩色传感器的。X轴表示的是波长（单位是纳米），Y轴则表示的是量子效率（用百分比来表示）。

这里得提一下，大多数机器视觉彩色相机都会安装一个红外截止滤光片，它的主要作用是阻挡近红外波长。这样一来，就可以有效消除图像中的红外噪声和颜色串扰，使得图像颜色更加贴近人眼的真实感知。不过，在某些特定应用场景下，不使用红外截止滤光片进行成像可能会带来意想不到的好效果。

但话说回来，无论是否安装红外截止滤光片，彩色传感器的敏感度都是无法与单色传感器相媲美的。

量子效率越高，传感器的感光能力就越强。上述图表是基于EMVA 1288测量标准得出的众多性能结果之一。EMVA 1288标准规定了如何测试和展示性能结果，以便用户能够更好地比较和对比不同厂商提供的型号。如需更多信息，请访问EMVA 1288网站。

全局快门VS卷帘快门

传感器的一个重要特性就是它的快门类型。

电子快门主要分为两大类：全局快门和卷帘快门。

这两种快门的工作机制和最终成像效果存在显著差异，特别是在相机或拍摄目标处于运动状态时。接下来，我们将深入剖析它们的工作原理，以及这些原理如何影响成像质量。

全局快门

下侧的图示清晰地展示了全局快门传感器的曝光时序。

在这里，所有像素会同时开始和结束曝光，尽管读出数据时仍然是按照逐行的方式来进行。

这种独特的时序机制，能够确保拍摄出的图像既无扭曲也无晃动或倾斜，从而保证了图像的高清晰度。因此，全局快门传感器在拍摄高速运动的物体时，发挥着至关重要的作用。

卷帘快门

左侧的图示清晰地为我们揭示了卷帘快门传感器的曝光时序。

这种传感器的一大特点是，每一行的曝光时序都是独立的，重置和读出操作也在不同的时间点进行。

这就意味着，如果拍摄的目标或相机本身在移动，那么这种逐行曝光的模式就可能会导致图像出现扭曲。但话说回来，卷帘快门传感器在拍摄静态或慢速移动的物体时，其灵敏度可是相当出色的。

以上就是你可能需要了解的数字传感器中的术语和技术，这将帮助您更准确地为您的应用选择合适的相机。例如，某些传感器规格，如像素尺寸和传感器格式，在选择合适的镜头时将起到重要作用。

写这篇文章的动机源自之前去Fundry厂，对ISP和CAM有了兴趣，于是写下这篇文字。