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图像传感器

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安装在电路板上的感光耦合元件芯片
数码相机主板上的图像传感器,具有600万像素

图像传感器,或称感光元件,是一种将光学图像转换成电子信号的设备,它被广泛地应用在数码相机和其他电子光学设备中。早期的图像传感器采用模拟信号,如摄像管video camera tube)。如今,图像传感器主要分为感光耦合元件charge-coupled device, CCD)和互补式金属氧化物半导体有源像素传感器CMOS Active pixel sensor)两种。

CCD和CMOS的对比[编辑]

Canon公司的CMOS图像传感器

如今,大多数数码相机采用了CCD或CMOS图像传感器。这两种类型的图像传感器都能够完成采集图像、转换成电信号的任务。

CCD图像传感器是一个基于模拟信号的设备。当光投射到其表面时,将有信号电荷产生。电荷信号可以被转换成电压,并按指定的时序将图像信息输出。数码相机主板上的其他电路将把这信号转换成数字信号,以便微处理器进行处理。[1]

而CMOS图像传感器是一类利用CMOS半导体的有源像素传感器。每个光电传感器附近都有相应的电路直接将光能量转换成电压信号。与CCD不同的是,它并不涉及信号电荷。在主板上可能也需要模拟数字转换器将它的输出信号转换成数字信号。[1]

上述两种图像传感技术,在图像质量上并没有太大的优劣之分。CCD传感器在接收强光照射时,对于“纵向涂片”(vertical smear)效应过于敏感,导致信号过载;高端的CCD则通过技术手段缓解了这一问题。不过,CMOS传感器则会因为果冻效应rolling shutter)产生一些不必要的效应。[2]

同等条件下,CMOS图像传感器所用的元件数相对更少,从而功耗较低,数据吞吐速度也比CCD更高。由于数码相机CMOS图像传感器可以直接制作在主板电路上,因此它的信号传输距离较CCD短,电容、电感和寄生延迟降低。另外,数据输出采用X-Y寻址方式,速度更快。CCD的数据输出速率一般不超过每秒70百万像素,而CMOS则可以达到每秒100百万像素。[2]然而,CCD图像传感器在工艺、制造方面更加成熟,因此在市场上与CMOS图像传感器并驾齐驱。[3][4]此外,CMOS的制造成本比CCD传感器低。

有一种混合CCD/CMOS架构,由CMOS数据输出集成电路与一片CCD图像传感衬底接合在一起。这项技术是为红外线观察而发展,现在转而用于基于的探测器技术。[5]另外一个途径是采用非常精细的CMOS技术来实现将CCD以CMOS的结构安装。通过在单独的多晶硅(poly-silicon)栅极之间安置非常小的间隙,这项技术有望实现。上述的混合传感器尚处于研究阶段,可以推动CCD和CMOS两种不同技术的共同发展。

性能参数[编辑]

画幅表示(英寸) 实际大小(mm) 对角线长度(mm)
1/2.3 5.38×4.39 7.2
1/1.8 7.17×5.32 8.9
1/1.7 5.6×7.4 9.5
1/1.63 5.9×7.84 9.8
2/3 8.8×6.6 11
1 13.2×8.8 16
4/3 18×13.5 22.4
1.5 18.7×14 23.4

[6]

有许多参数被用来评价图像传感器的性能,包括动态范围信噪比以及低光照灵敏度等。对于同等级别的传感器,当其尺寸提高后,信噪比和动态范围一般都会得到提升。

颜色的分辨[编辑]

彩色图像传感器,按其对色彩的分辨方式可分成以下几大类:

  • 贝叶(Bayer)传感器,一种廉价也最常见的图像传感器,使用贝叶斯滤波器使得不同的像素点只对红、蓝、绿三原色光中的一种感光,这些像素点交织在一起,然后通过demosaicing内插来恢复原始图像。
  • Foveon X3 传感器,用于某些適馬(Sigma)及宝丽来数码照相机。它的每一像素点都有三重传感器,可以对所有颜色感光。
  • 3CCD 传感器,如某些松下数码照相机,通过双色棱镜分光,并采用3块独立的CCD传感器,一般认为图像还原质量最好但价格比较昂贵。

专用的图像传感器[编辑]

热成像仪多光谱图像multispectral image)、喉镜laryngoscopy)、伽马相机gamma camera)、X射线传感器以及一些天文学的研究应用领域,还采用了专用的图像传感器。

数码相机中的图像传感器实例[编辑]

宽度 高度 长径比 实际像素 百万像素 相机示例
100 100 1:1 10,000 0.01 柯达 Prototype (1975)
640 480 4:3 aspect ratio 307,200 0.3 苹果 QuickTake 100 (1994)
832 608 4:3 aspect ratio 505,856 0.5 佳能 Powershot 600 (1996)
1,024 768 4:3 aspect ratio 786,432 0.8 奥林巴斯 D-300L (1996)
1024 1024 1:1 1,048,576 1.0 尼康 NASA F4 (1991)
1,280 960 4:3 aspect ratio 1,228,800 1.3 富士 DS-300 (1997)
1,280 1,024 5:4 1,310,720 1.3 富士 MX-700, 富士MX-1700 (1999), 徕卡 Digilux (1998), 徕卡 Digilux Zoom (2000)
1,600 1,200 4:3 aspect ratio 1,920,000 2 尼康 Coolpix 950, 三星 GT-S3500
2,012 1,324 3:2 aspect ratio 2,663,888 2.74 尼康D1
2,048 1,536 4:3 aspect ratio 3,145,728 3 佳能 PowerShot A75, 尼康 Coolpix 995
2,272 1,704 4:3 aspect ratio 3,871,488 4 奥林巴斯 Stylus 410, 康泰时 i4R
2,464 1,648 3:2 aspect ratio 4,060,672 4.1 佳能 EOS-1D
2,560 1,920 4:3 aspect ratio 4,915,200 5 奥林巴斯 E-1, 索尼 Cyber-shot DSC-F707, 索尼 Cyber-shot DSC-F717
2,816 2,112 4:3 aspect ratio 5,947,392 5.9 奥林巴斯 Stylus 600 Digital
3,008 2,000 3:2 aspect ratio 6,016,000 6 尼康D40, D50, D70, D70s, 宾得 K100D, 柯尼卡-美能达 Maxxum 7D, 柯尼卡-美能达 Maxxum 5D
3,072 2,048 3:2 aspect ratio 6,291,456 6.3 佳能 EOS 10D, 佳能 EOS 300D
3,072 2,304 4:3 aspect ratio 7,077,888 7 奥林巴斯 FE-210, 佳能 PowerShot A620
3,456 2,304 3:2 aspect ratio 7,962,624 8 佳能 EOS 350D
3,264 2,448 4:3 aspect ratio 7,990,272 8 奥林巴斯 E-500, 奥林巴斯 SP-350, 佳能 PowerShot A720 IS, iPhone 4S
3,504 2,336 3:2 aspect ratio 8,185,344 8.2 佳能 EOS 30D, 佳能 EOS-1D Mark II, 佳能 EOS-1D Mark II N
3,520 2,344 3:2 aspect ratio 8,250,880 8.25 佳能 EOS 20D
3,648 2,736 4:3 aspect ratio 9,980,928 10 奥林巴斯 E-410, 奥林巴斯 E-510, 松下 Lumix DMC-FZ50, 富士 FinePix HS10
3,872 2,592 3:2 aspect ratio 10,036,224 10 尼康D40x, 尼康D60, 尼康D3000, 尼康D200, 尼康D80, 宾得K10D, 宾得 K200D, 索尼 A100
3,888 2,592 3:2 aspect ratio 10,077,696 10.1 佳能 EOS 40D, 佳能 EOS 400D, 佳能 EOS 1000D
4,064 2,704 3:2 aspect ratio 10,989,056 11 佳能 EOS-1Ds
4,000 3,000 4:3 aspect ratio 12,000,000 12 佳能 Powershot G9]], 富士 FinePix S200EXR, 尼康 Coolpix L110
4,256 2,832 3:2 aspect ratio 12,052,992 12.1 尼康D3, 尼康D3S, 尼康D700, 富士 FinePix S5 Pro
4,272 2,848 3:2 aspect ratio 12,166,656 12.2 佳能 EOS 450D
4,032 3,024 4:3 aspect ratio 12,192,768 12.2 奥林巴斯 PEN E-P1
4,288 2,848 3:2 aspect ratio 12,212,224 12.2 尼康D2X, 尼康D300, 尼康D300S, 尼康D90, 尼康D5000, 宾得 K-x
4,900 2,580 16:9 aspect ratio 12,642,000 12.6 RED ONE Mysterium
4,368 2,912 3:2 aspect ratio 12,719,616 12.7 佳能 EOS 5D
5,120 2,700 16:9 aspect ratio 13,824,000 13.8 RED Mysterium-X
7,920 (2,640 × 3) 1,760 3:2 aspect ratio 13,939,200 13.9 适马 SD14, 适马 DP1
4,672 3,104 3:2 aspect ratio 14,501,888 14.5 宾得 K20D 宾得 K-7
4,752 3,168 3:2 aspect ratio 15,054,336 15.1 佳能 EOS 50D, 佳能 EOS 500D
4,928 3,262 3:2 aspect ratio 16,075,136 16.1 尼康D7000, 宾得 K-5
4,992 3,328 3:2 aspect ratio 16,613,376 16.6 佳能 EOS-1Ds Mark II, 佳能 EOS-1D Mark IV
5,184 3,456 3:2 aspect ratio 17,915,904 17.9 佳能 EOS-1D X,佳能 EOS 7D, 佳能 EOS 60D, 佳能 EOS 600D, 佳能 EOS 550D
5,270 3,516 3:2 aspect ratio 18,529,320 18.5 徕卡M9
5,616 3,744 3:2 aspect ratio 21,026,304 21.0 佳能 EOS-1Ds Mark III, 佳能 EOS 5D Mark II
6,000 4,000 3:2 aspect ratio 24,000,000 24.1 尼康D600,尼康D610,尼康D7100,尼康D5300,尼康D5200,尼康D3200
6,048 4,032 3:2 aspect ratio 24,385,536 24.4 索尼 α 850, 索尼 α 900, 尼康 D3X
7,360 4,912 3:2 aspect ratio 36,152,320 36.2 尼康D800
7,500 5,000 3:2 aspect ratio 37,500,000 37.5 徕卡 S2
7,212 5,142 4:3 aspect ratio 39,031,344 39.0 哈苏 H3DII-39
7,216 5,412 4:3 aspect ratio 39,052,992 39.1 徕卡 RCD100
7,264 5,440 4:3 aspect ratio 39,516,160 39.5 宾得 645D
7,320 5,484 4:3 aspect ratio 40,142,880 40.1 Phase One IQ140
7,728 5,368 100:69 41,483,904 41.5 诺基亚 808 PureView
8,176 6,132 4:3 aspect ratio 50,135,232 50.1 哈苏 H3DII-50, 哈苏 H4D-50
11,250 5,000 9:4 56,250,000 56.3 Better Light 4000E-HS
8,956 6,708 4:3 aspect ratio 60,076,848 60.1 哈苏 H4D-60
8,984 6,732 4:3 aspect ratio 60,480,288 60.5 Phase One IQ160, Phase One P65+
10,320 7,752 4:3 aspect ratio 80,000,640 80 Leaf Aptus-II 12, Leaf Aptus-II 12R
10,328 7,760 4:3 aspect ratio 80,145,280 80.1 Phase One IQ180
9,372 9,372 1:1 87,834,384 87.8 徕卡 RC30]]
12,600 10,500 6:5 132,300,000 132.3 Phase One PowerPhase FX/FX+
18,000 8,000 9:4 144,000,000 144 Better Light 6000-HS/6000E-HS
21,250 7,500 17:6 159,375,000 159.4 Seitz 6x17 Digital
16,352* 12,264* 4:3 aspect ratio 200,540,928 200.5 哈苏 H4D-200MS
18,000 12,000 4:3 aspect ratio 216,000,000 216 Better Light Super 6K-HS
24,000 15,990 2,400:1,599 383,760,000 383.8 Better Light Super 8K-HS
30,600 13,600 9:4 416,160,000 416.2 Better Light Super 10K-HS
62,830 7,500 6,283:750 471,225,000 471.2 Seitz Roundshot D3 (80 mm lens)
62,830 13,500 6,283:1,350 848,205,000 848.2 Seitz Roundshot D3 (110 毫米镜头)
38,000 38,000 1:1 1,444,000,000 1,444 Pan-STARRS PS1
157,000 18,000 157:18 2,826,000,000 2,826 Better Light 300毫米镜头

参考文献[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 王忠立,刘佳音,贾云得. 基于CCD与CMOS的图像传感器技术. 光学技术. 2003, 29 (3). 
  2. ^ 2.0 2.1 熊平. CCD与CMOS图像传感器特点比较. 半导体光电. 2004, 25 (1). 
  3. ^ CCD vs CMOS from Photonics Spectra 2001
  4. ^ Sensors By Vincent Bockaert
  5. ^ A High-Performance Imaging Breakthrough
  6. ^ 《毫米与英寸:认清影像传感器尺寸背后的实质》. 中国摄影报. 2012-02: 6.