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关于图像传感器的9个知识点
典型图像传感器的核心是CCD单元(charge-coupled
device,电荷耦合器件)或标准CMOS单元(complementary
meta-oxidesemiconductor,互补金属氧化物半导体)。
CCD和CMOS传感器具有类似的特性,它们被广泛应用
于商业摄像机上。不过,现代多数传感器均使用CMOS单
元,这主要是出于制造方面的考虑。传感器和光学器件常
常整合在一起用于制造晶片级摄像机,这种摄像机被用在
类似于生物学或显微镜学等领域,如图1所示。
图1:整合了光学器件和颜色过滤器的图像传感器的常
用排列
图像传感器是为满足不同应用的特殊目标而设计的,它
提供了不同级别的灵敏度和质量。想要熟悉各种传感器,
可查阅其厂商信息。例如,为了在硅基模和动态响应(用于
实现光强度和颜色检测)之间有一个最好的折中,对一个特
定的半导体制造过程,需优化每个光电二极管传感器单位
的大小和组成成分。
对计算机视觉而言,采样理论的效果具有重要意义,如
目标场景的像素范围就会用到Nyquist频率。传感器分辨
率和光学器件能一起为每个像素提供足够的分辨率,以便
对感兴趣特征进行成像,因此有这样的结论:兴趣特征的
采样(或成像)频率应该是重要像素(对感兴趣的特征而言)
中最小像素大小的两倍。当然,对成像精度而言,两倍的
过采样仅仅是一个最低目标,在实际应用中,并不容易决
定单像素宽度的特征。
对于给定的应用,要取得最好的结果,需校准摄像机系
统,以便在不同光照和距离条件下确定像素位深度(bit
depth)的传感器噪声以及动态范围。为了能处理传感器对
任何颜色通道所产生的噪声和非线性响应,并且检测和校
正像素坏点、处理几何失真的建模,需发展合适的传感器
处理方法。如果使用测试模式来设计一个简单标定方法,
这种方法在灰度、颜色、特征像素大小等方面具有由细到
粗的渐变,就会看到结果。
1、传感器材料
硅制图像传感器应用最广,当然也会使用其他材料,比
如在工业和军事应用中会用镓(Ga)来覆盖比硅更长的红外
波长。不同的摄像机,其图像传感器的分辨率会有所不同。
从单像素光电晶体管摄像机(它通过一维直线扫描阵列用
于工业应用),到普通摄像机上的二维长方形阵列(所有到球
形整列的路径均用于高分辨率成像),都有可能用到。(本章
最后会介绍传感器配置和摄像机配置)。
普通成像传感器采用CCD、CMOS、BSI和Foveon方
法进行制造。硅制图像传感器具有一个非线性的光谱响应
曲线,这会很好地感知光谱的近红外部分,但对蓝色、紫
色和近紫外部分就感知得不好(如图2所示)。
图2:几种硅光电二极管的典型光谱响应。可以注意到,
光电二极管在900纳米附近的近红外范围内具有高的敏
感度,而在横跨400纳米~700纳米的可见光范围内具有
非线性的敏感度。由于标准的硅响应的缘故,从摄像机中
去掉IR滤波器会增加近红外的灵敏度。(光谱数据图像的
使用已获得OSI光电股份有限公司的许可)
注意,当读入原始数据,并将该数据离散化成数字像素
时,会导致硅光谱响应。传感器制造商在这个区域做了设
计补偿,然而,当根据应用标定摄像机系统并设计传感器
处理方法时,应该考虑传感器的颜色响应。
2、传感器光电二极管元件
图像传感器的关键在于光电二极管的大小或元件的大
小。使用小光电二极管的传感器元件所捕获的光子数量没
有使用大的光电二极管多。如果元件尺寸小于可捕获的可
见光波长(如长度为400纳米的蓝光),那么为了校正图像
颜色,在传感器设计中必须克服其他问题。传感器厂商花
费大量精力来设计优化元件大小,以确保所有的颜色能同
等成像(如图3所示)。在极端的情况下,由于缺乏累积的
光子和传感器读出噪声,小的传感器可能对噪声更加敏感。
如果二极发光管传感器元件太大,那么硅材料的颗粒大小
和费用会增加,这没有任何优势可言。一般商业传感器设
备具有的传感器元件大小至少为1平方微米,每个生产厂
商会不同,但为了满足某些特殊的需求会有一些折中。
图3:基本颜色的波长分配。注意,基本颜色区域相互
重叠,对所有的颜色而言,绿色是一个很好的
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