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理解数字图像传感器
理解数字图像传感器
无论采用何种分类方式，图像传感器的核心目的都是相同的：将入射光（光子）转换为电信号，以便显示、分析或存储。图像传感器是固态器件，也是机器视觉相机内部最关键的组成部分之一。新一代传感器持续在分辨率、读出速度、量子效率与噪声性能等方面演进。本文将介绍机器视觉相机中图像传感器技术的一些基础知识，并说明这些基础概念如何对应到常见的传感器分类方式。
目录
图像传感器组成
下图为典型的 CMOS 图像传感器。传感器芯片封装在带有保护玻璃的封装体内。封装体上带有触点焊盘，用于将传感器与 PCB 连接。
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不同传感器会采用不同的封装形式。例如，上图展示的是采用陶瓷 PGA 封装的传感器。
以上：CMOS 图像传感器示意图
固态图像传感器芯片包含由感光元件、微透镜以及微型电路组件构成的像素。芯片由半导体厂商制造，并从晶圆上切割得到。金线键合将信号从裸片（die）传输到传感器背面的触点焊盘。封装用于保护传感器芯片与金线键合免受物理与环境损伤，同时提供散热路径，并包含用于信号传输的互连电路。封装前端的透明窗口称为盖玻璃（cover glass），在允许光线到达感光区域的同时，保护传感器芯片与内部连线。
硅晶圆上的图像传感器
传感器裸片（die）在硅晶圆上以大批量方式制造。晶圆会被精密切割成许多小块，每一块对应一个传感器裸片。传感器裸片尺寸越大，每片晶圆可获得的裸片数量就越少，这通常会带来更高成本。同时，晶圆上的局部缺陷也更可能影响到尺寸更大的图像传感器，从而降低良率。
以上：通过精密切割将传感器裸片从晶圆上分离
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从裸硅晶圆到单颗图像传感器成品裸片的制造流程，通常需要较长周期，可能长达数月。
传感器在相机内部的功能
在相机系统中，图像传感器接收经镜头或其他光学元件聚焦后的入射光（光子）。根据传感器是 CCD 还是 CMOS，信号会以电压或数字信号的形式传递到下一阶段。以 CMOS 为例，像素将入射光转换为电荷信号，并进一步转换为电压信号，随后经片上模数转换器（ADC）完成数字化输出。
以上：典型的 CMOS 相机架构。
不同相机厂商在总体布局与所用组件上会有所差异。该架构的核心目的，是将光转换为数字信号，进而用于分析并触发后续动作。消费级相机通常还会包含用于图像存储（存储卡）、显示（内置 LCD）以及控制拨轮与开关等组件，而这些在机器视觉相机中通常并不存在。
CCD 与 CMOS 的差异
CCD 传感器（Charge-Coupled Device）可让所有像素同时开始与结束曝光，这通常称为全局快门。随后，CCD 将曝光电荷转移到水平移位寄存器，再送至浮动扩散放大器进行读出。注：随着 CMOS 工艺与全局快门 CMOS 的成熟，CCD 在多数新项目中的采用率已显著降低，CMOS 已成为主流选择。
CCD 特性：
• 全局快门
• 低噪声
• 高动态范围
• 中等帧率
• 易产生拖影（smearing）
过去，CMOS 传感器（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）多为逐行开始与结束曝光，这称为卷帘快门。随着技术发展，如今市场上已普遍提供全局快门 CMOS 传感器。CMOS 传感器通常在列级或片上集成 ADC，从而可实现更高读出速度与更高帧率。多年来 CMOS 传感器取得了显著改进，使得多数现代 CMOS 在画质、速度以及总体性价比方面可达到与 CCD 相当或更优的水平。
现代 CMOS 特性：
• 同时提供全局快门与卷帘快门型号
• 低至极低噪声
• 高至极高动态范围
• 极高帧率
• 无拖影（smearing）
单色与彩色传感器
对于可见光传感器（非红外、紫外或 X 射线），主要分为两类：彩色与单色。彩色传感器在微透镜下方集成彩色滤光阵列（CFA, Color Filter Array），用于选择性透过特定波段，使每个像素对特定颜色波段更敏感。单色传感器则不包含 CFA，因此每个像素对可见光波段整体更敏感。
左：单色传感器像素平面。右：采用拜耳阵列（Bayer Pattern）的彩色传感器像素平面。
以上右图示例所采用的彩色滤光阵列为拜耳滤波器阵列。该阵列通常为 50% 绿色、25% 红色与 25% 蓝色的分布。虽然多数彩色相机采用拜耳阵列，但市场上也存在其他滤波阵列，其排列方式与 RGB 比例分解各不相同。
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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将光子更有效地导入光电二极管。
图像传感器格式（尺寸）
图像传感器具有不同的格式类型（也称为光学规格、传感器尺寸或 Type）以及不同的封装形式。分辨率与像素尺寸共同决定传感器的有效成像面积。与小尺寸传感器相比，大尺寸传感器通常具备更高分辨率或更大像素尺寸。了解传感器格式对于相机镜头与光学系统选型非常重要。镜头通常针对特定的传感器格式与目标分辨率进行设计。请注意，传感器格式仅描述芯片的有效成像面积，并不包含整个封装外形尺寸。
上图，传感器格式尺寸（从左到右）： 1/6″, 1/3″, 2/3″, 1″
以下示例为一款格式类型标注为 2/3″ 的 CMOS 传感器。然而，该裸片的实际对角线尺寸仅为 0.43″（11mm）。当前传感器的“英寸”类型并不等同于传感器实际对角线尺寸。虽然传感器格式类型的定义看起来较为含糊，但其来源实际上可追溯至早期摄像机成像管。当时的英寸标注指的是成像管的外径。下方图表展示了常见传感器格式类型及其对应的真实对角线尺寸（单位：mm）。
边注
这是一个早期摄像机成像管的示例。这些旧式成像管的直径，构成了当今现代传感器格式分类的来源。
传感器格式与实际尺寸
| Image Sensor Format (Type) | 1" | 2/3" | 1/1.8" | 1/3" |
| Image Sensor Diagonal (mm) | 16 mm | 11 mm | 8.9 mm | ~6 mm |
传感器像素尺寸
像素尺寸以微米（µm）为单位测量，包含光电二极管以及周边电路所占据的面积。一个 CMOS 像素通常由光电二极管、放大器、复位栅、传输栅以及浮动扩散节点等结构构成。不过，这些结构并不一定全部位于每个像素内部，也可能在相邻像素之间共享。下图展示了 CMOS 单色像素与彩色像素的简化结构示意。
以上：简化的 CMOS 单色与彩色像素结构示意
通常，较大的像素尺寸有利于提升灵敏度，因为光电二极管拥有更大的受光面积。如果传感器格式保持不变而分辨率提高，则像素尺寸必须减小。虽然这可能降低灵敏度，但像素结构改进、降噪技术与图像处理算法的发展已在一定程度上缓解了这一影响。若要更准确地评估传感器对光的响应能力，建议参考传感器的光谱响应（量子效率）以及其他性能测试结果。
单色与彩色传感器的光谱响应
由于单色与彩色传感器在物理结构上存在差异，同时不同厂商的工艺与像素结构也不尽相同，不同传感器对光的响应能力会有所差别。更准确理解传感器灵敏度的一种方式，是查看其光谱响应曲线（也称为量子效率曲线）。
下方两张曲线图展示的是同一传感器型号的单色版本与彩色版本。左图为单色传感器的光谱响应，右图为彩色传感器的光谱响应。横轴为波长（nm），纵轴为量子效率（%）。多数机器视觉彩色相机会安装 IR-cut 滤光片，用于阻挡近红外波段，从而降低 IR 引入的噪声与颜色串扰，使成像更接近人眼对颜色的感知。但在某些应用中，不安装 IR-cut 滤光片反而更有价值。无论是否安装 IR-cut 滤光片，彩色传感器的整体灵敏度通常都难以达到单色传感器的水平。
以上：同一传感器系列的两条光谱响应曲线示例。
单色传感器（左）与未安装 IR-cut 滤光片的彩色传感器（右）
量子效率越高，传感器对光的响应能力就越强。上述曲线图是基于 EMVA 1288 测量标准得到的多项性能结果之一。EMVA 1288 标准规定了如何测试与呈现性能数据，使用户能够更直观地对比不同传感器与不同相机的成像表现。更多信息请访问 EMVA 1288 网站。
全局快门与卷帘快门对比
传感器的一项关键特性是其快门类型。两种主要的电子快门类型为 全局快门与卷帘快门。它们在工作方式与最终成像结果上存在差异，尤其是在相机或目标处于运动状态时。下面我们将进一步介绍其工作机制以及对成像的影响。
全局快门时序
左侧示意图展示了 全局快门传感器 的曝光时序。所有像素同时开始与结束曝光，但读出仍按行进行。该时序能够产生无畸变的图像，不会出现抖动或倾斜。全局快门传感器对于高速运动目标成像至关重要。
卷帘快门时序
左侧示意图展示了 卷帘快门传感器 的曝光时序。其曝光时序按行错开进行，复位与读出也在不同时间点发生。逐行曝光在目标或相机运动时会产生图像畸变。卷帘快门传感器在静止或低速运动目标成像中，往往可提供更高的灵敏度表现。
结论
如果您刚开始了解机器视觉相机领域，上述内容将帮助您理解行业中常见的传感器分类方式。掌握数字图像传感器相关术语与基础概念，有助于您更准确地为应用选择合适的相机与镜头。例如，像素尺寸与传感器格式等规格参数，会在镜头选型与系统设计中发挥重要作用。此外，随着新型传感器技术不断出现，您也能更好地评估其是否能为应用带来实际价值。如果您希望进一步讨论相机选型需求，欢迎联系我们经验丰富的 LUCID 销售团队。