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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