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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體材料制成,能把光線轉變成電荷,通過模數轉換器芯片轉換成數字信號,數字信號經過壓縮以后由相機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡保存,因而可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機,并借助于計算機的處理手段,根據需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成,當CCD表面受到光線照射時,每個感光單位會將電荷反映在組件上,所有的感光單位所產生的信號加在一起,就構成了一幅完整的畫面。它就像傳統相機的底片一樣的感光系統,是感應光線的電路裝置,你可以將它想象成一顆顆微小的感應粒子,鋪滿在光學鏡頭后方,當光線與圖像從鏡頭透過、投射到CCD表面時,CCD就會產生電流,將感應到的內容轉換成數碼資料儲存起來。CCD像素數目越多、單一像素尺寸越大,收集到的圖像就會越清晰。因此,盡管CCD數目并不是決定圖像品質的唯一重點,我們仍然可以把它當成相機等級的重要判準之一。目前掃描機、攝錄放一體機、數碼照相機多數配備CCD。

CCD經過長達35年的發展,大致的形狀和運作方式都已經定型。CCD 的組成主要是由一個類似馬賽克的網格、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 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體組件)和CCD一樣同為在數碼相機中可記錄光線變化的半導體。CMOS的制造技術和一般計算機芯片沒什么差別,主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體,使其在CMOS上共存著帶N(帶–電) 和 P(帶+電)級的半導體,這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像。然而,CMOS的缺點就是太容易出現雜點, 這主要是因為早期的設計使CMOS在處理快速變化的影像時,由于電流變化過于頻繁而會產生過熱的現象。

CCD和CMOS各自的利弊,我們可以從技術的角度來比較兩者主要存在的區別:

信息讀取方式不同。CCD傳感器存儲的電荷信息需在同步信號控制下一位一位的實施轉移后讀取,電荷信息轉移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合,整個電路較為復雜。CMOS傳感器經光電轉換后直接產生電流(或電壓)信號,信號讀取十分簡單。

速度有所差別。CCD傳感器需在同步時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傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號,還能同時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光電傳感器在節能方面具有很大優勢。

成像質量。CCD傳感器制作技術起步較早,技術相對成熟,采用PN結合二氧化硅隔離層隔離噪聲,成像質量相對CMOS傳感器有一定優勢。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、磁干擾較為嚴重,噪聲對圖象質量影響很大。在相同分辨率下,CMOS價格比CCD便宜,但是CMOS器件產生的圖像質量相比CCD來說要低一些。到目前為止,市面上絕大多數的消費級別以及高端數碼相機都使用CCD作為感應器;CMOS感應器則作為低端產品應用于一些攝像頭上。是否具有CCD感應器一度成為人們判斷數碼相機檔次的標準之一。而由于CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少,所以很多手機生產廠商采用的都是CMOS鏡頭。現在,市面上大多數手機都采用的是CMOS攝像頭,少數也采用了CCD攝像頭。

光學變焦和數碼變焦原理

光學變焦(Optical Zoom)是通過鏡頭、物體和焦點三方的位置發生變化而產生的。當成像面在水平方向運動的時候,如下圖,視覺和焦距就會發生變化,更遠的景物變得更清晰,讓人感覺像物體遞進的感覺。

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,這就是光學變焦。通過改變變焦鏡頭中的各鏡片的相對位置來改變鏡頭的焦距。另一種就是改變成像面的大小,即成像面的對角線長短在目前的數碼攝影中,這就叫做數碼變焦。實際上數碼變焦并沒有改變鏡頭的焦距,只是通過改變成像面對角線的角度來改變視角,從而產生了“相當于”鏡頭焦距變化的效果。

所以我們看到,一些鏡頭越長的數碼相機,內部的鏡片和感光器移動空間更大,所以變焦倍數也更大。我們看到市面上的一些超薄型數碼相機,一般沒有光學變焦功能,因為其機身內根部不允許感光器件的移動,而像索尼F828、富士S7000這些“長鏡頭”的數碼相機,光學變焦功能達到5、6倍。

數碼變焦(DigitalZoom)也稱為數字變焦,數碼變焦是通過數碼相機內的處理器,把圖片內的每個象素面積增大,從而達到放大目的。這種手法如同用圖像處理軟件把圖片的面積改大,不過程序在數碼相機內進行,把原來影像感應器上的一部份像素使用“插值”處理手段做放大,將影像感應器上的像素用插值算法將畫面放大到整個畫面。

與光學變焦不同,數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,圖像質量是相對于正常情況下較差。

通過數碼變焦,拍攝的景物放大了,但它的清晰度會有一定程度的下降,所以數碼變焦并沒有太大的實際意義。因為太大的數碼變焦會使圖像嚴重受損,有時候甚至因為放大倍數太高,而分不清所拍攝的畫面。

Sensor內部工作原理

    外部光線穿過lens后,經過color filter濾波后照射到Sensor面上, Sensor將從lens上傳導過來的光線轉換為電信號,再通過內部的DA轉換為數字信號。如果Sensor沒有集成DSP,則通過DVP的方式傳輸到baseband,此時的數據格式是RAW RGB。

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