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了解数字图像芯片
虽然芯片的功能是将光信号转换为电信号，但并非所有芯片都是相同的。
了解更多关于图像芯片的工作原理以及它们如何分类的知识，
将帮助您更好地选择合适的产品。
了解数字图像传感器
无论其分类如何，图像传感器的用途相同；将传入的光（光子）转换为可以查看、分析或存储的电气信号。 图像传感器是一种固态设备，是机器视觉相机中最重要的组件之一。 每年制造新品种的传感器，改进传感器尺寸、分辨率、速度和光灵敏度。 在这篇文章中，我们讨论了机器视觉相机中的一些图像传感器技术的基本知识，以及这些技术与它们的分类之间的关系。
目录
图像芯片组件
下面是典型的CMOS图像芯片。芯片保存在带保护玻璃的封装中。该套件具有连接芯片到PCB的触点垫。
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不同的传感器采用不同的封装。 例如，上述照片是带陶瓷PGA封装的传感器。
以上：CMOS图像芯片的图表
固态图像芯片包含由光敏感元件、微镜头和微电元件组成的像素。 芯片由半导体公司制造，切断晶片。 电线连接将信号从模具传输到芯片背面的触点垫。 该包装可保护传感器芯片和导线纽带免受物理和环境伤害，提供热分散性，并包括用于信号传输的互连电子设备。 包装前面的透明窗口称为封面玻璃，可保护传感器芯片和线缆，同时允许光线到达光线敏感区域。
硅片图像芯片
芯片模具在硅晶片上成批生产。 晶圆被切割成许多片，每一块都包含一个芯片传感器模具。芯片模具尺寸越大，每个晶圆的芯片数量就越少。这通常会导致更高的成本。晶圆上的单个缺陷将更有可能影响较大的图像芯片。
以上：通过精密切割从晶圆上移除传感器模具
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从裸硅晶片到单个图像传感器件的制造过程可能需要几个月。
相机中的芯片功能
在相机系统中，图像传感器接收通过镜头或其他光学聚焦的事件光（光子）。 根据传感器是CCD还是CMOS，它会将信息作为电压或数字信号传输到下一阶段。 CMOS传感器将光子转换为电子，然后转换为电压，然后使用片内模拟数字转换器(ADC)将光子转换为数字值。
以上：典型的CMOS相机设计
根据相机制造商的不同，一般设计和使用的组件会有所不同。这种布局的主要目的是将光信号转换成数字信号，然后对其进行分析，以触发今后的一些行动。 消费类相机将具有额外的组件，用于图像存储(存储卡)、查看(嵌入式液晶显示器)和控制旋钮和开关，而机器视觉相机则没有。
CCD和CMOS芯片之间的差异
CCD芯片(充电情侣设备)可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将这种暴露电荷移至水平移位寄存器，然后将其发送至浮动扩散放大器。注：2015年，索尼宣布计划到2026年停止生产《防治荒漠化公约》并停止支持《防治荒漠化公约》。
CCD芯片特性：
• 全局快门
• 低噪声
• 高动态范围
• 中范围帧率
• 图像可以分散
过去，CMOS芯片(互补金属-氧化物半导体)只能一次开始和停止接触一排像素,即称为卷帘快门。随着时间的推移，这已经发生了变化，现在市场上已有许多全球快门CMOS芯片。CMOS芯片对每个像素列使用较小的ADC，这样便比CCD有更高的帧率。多年来，CMOS芯片经历了几次重大改进，使大多数现代CMOS芯片在图像质量、图像速度和整体价值方面与CCD相等或优于CCD。
CMOS芯片特性：
• 全局快门和卷帘快门
• 低噪声至极低噪声
• 高至极高的动态范围
• 超高的帧率
• 图像没有弥散现象
黑色/白色和颜色传感器
对于可见光芯片(非红外、紫外线或X射线)，有两种主要类型：彩色和黑白。彩色芯片有一个额外的层，位于微镜头下方，称为颜色过滤器，吸收不需要的颜色波长，使每个像素对特定的颜色波长敏感。 对于黑白芯片，没有颜色滤波器，因此每个像素对所有可见光波长敏感。
左上方：黑白芯片蓝图 右上方：带拜耳模式的彩色芯片蓝图
对于右上方所示的彩色芯片示例，使用的颜色筛选器阵列是拜耳滤波器模式。 此滤波器模式使用50%绿色、25%红色和25%蓝色阵列。虽然大多数彩色相机使用拜耳滤波器模式，但其他滤波器模式具有不同的模式安排和RGB安排.
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对于某些芯片，特别是像素尺寸较小的芯片，可使用额外的微镜片帮助引导光子进入光电二极管。
图像传感器格式（尺寸）
图像芯片有不同的格式类型(也称为芯片大小或类型)和封装。分辨率和像素大小将决定一个芯片的整体大小，该芯片的分辨率或像素大小均高于较小的芯片。了解芯片格式对于选择镜头和相机光学非常重要。所有镜头均专为特定芯片格式和分辨率而设计。请注意，芯片格式仅描述芯片的区域，而不是整个芯片封装。
以上： 芯片格式尺寸（从左到右）： 1/6″, 1/3″, 2/3″, 1″
以下是以2/3”格式分类的CMOS芯片示例。 但是，模具的实际对角线尺寸只有0.43”(11毫米)。当前芯片“英寸”类型不是芯片的实际对角大小。虽然看起来芯片格式类型的定义有些模糊，但实际上是基于旧的摄像头管，其中英寸测量指的是视频管的外部直径。下图显示了最常见的芯片格式类型及其实际芯片对角线尺寸(毫米)。
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下面是一个旧的摄像头管的例子。 这些老管的直径可作为当今现代传感器的传感器格式分类。
传感器格式类型和实际大小
| 图像传感器格式（类型） | 1" | 2/3" | 1/1.8" | 1/3" |
| 实际对角线长度(mm) | 16 mm | 11 mm | 8.9 mm | ~6 mm |
传感器像素大小
像素尺寸以微米(µm)测量，包括光电二极管和周围电子元件的整个面积。 CMOS像素由光电二极管、放大器、复位门、转接门和浮动扩散组成。 但是，这些元素可能并不总是在每个像素内，因为它们也可以共享在像素之间。 下图显示了CMOS单声道和颜色像素的简化布局。
以上：简化的CMOS单色和颜色像素布局
通常，较大的像素尺寸更适合提高光灵敏度，因为光电二极管有更多区域可接收光线。 如果传感器格式保持不变，但分辨率增加像素大小必须降低。 虽然这可能会降低传感器的灵敏度，但像素结构、降噪技术和图像处理的改进有助于缓解这种情况。 为了更准确地了解传感器灵敏度，最好参考传感器的光谱响应（量子效率）以及其他传感器性能结果。
单色&彩色光谱响应
由于单声道传感器和彩色传感器之间的物理差异，以及传感器制造商的技术和像素结构之间的差异，不同的传感器会感受到不同程度的光线。 更准确地了解传感器对光的敏感度的一种方法是阅读其光谱响应图（也称为量子效率图）。
下面的2个图表是同一传感器模型的单声道和颜色版本。 左侧显示单声道传感器的光谱响应和颜色传感器的右侧。 X轴为波长(nm)，Y轴为量子效率(%)。 大多数机器视觉彩色相机都安装了红外切割滤波器，以阻挡近红外波长。 这可以去除图像中的红外噪声和颜色交叉，最好地匹配人眼对颜色的解释。 然而，在一些应用程序中，它可以是有益的图像没有红外切割滤波器。 红外切割滤波器是否安装，颜色传感器将永远不会像单声道传感器那样敏感。
以上：使用相同传感器系列的两个频谱响应曲线示例。
单声道传感器（左）和无红外切割滤波器的颜色传感器（右）
量子效率越高，传感器在感应光时就越好。 以上图表是基于EMVA 1288测量标准的许多性能结果之一。 EMVA 1288标准决定了如何测试和显示性能结果，以便用户能够更好地跨供应商对比和对比模型。 请访问EMVA 1288网站了解更多信息。
全局与卷帘快门
芯片的一个重要功能是其快门类型。两种主要的电子快门类型是全局快门和卷帘快门。这些快门类型在操作和最终成像结果上有所不同，特别是在相机或目标处于运动状态时。让我们详细看看他们如何工作，以及这如何影响成像。
全球快门时机
左侧的图显示了全局快门芯片的曝光时间。 所有像素同时开始和结束曝光，但读出仍会逐行发生。此时序产生非失真图像，无需摆动或扭曲。 全局快门芯片对于成像高速移动物体至关重要。
滚动快门定时
左侧的图显示了卷帘快门芯片的曝光时间。曝光时间是不同的行，随着重置和读出发生在转移的时间。如果目标或相机处于运动中，此行按行曝光会产生图像失真。 卷帘快门芯片为成像静态或慢速移动物体提供出色的灵敏度。
结论
如果您刚刚开始探索机器视觉相机世界，上述信息是了解机器视觉行业如何对芯片进行分类的良好开端。了解数字芯片中的术语和技术，将使您能够更好地确定适合您的应用的相机。例如，某些芯片规格(如像素尺寸和芯片格式)将在选择正确的镜头方面发挥重要作用。此外，随着新芯片技术的出现，如果对您的应用有利，您将获得更好的理解能力。 如果您愿意讨论您的相机要求，请联系我们具有丰富经验的Lucid销售人员。