圖像傳感器的9個知識點簡析

典型圖像傳感器的核心是CCD單元(charge-coupled device，電荷耦合器件)或標準CMOS單元(complementary meta-oxide semiconductor，互補金屬氧化物半導體)。CCD和CMOS傳感器具有類似的特性，它們被廣泛應用于商業(yè)攝像機上。

不過，現(xiàn)代多數(shù)傳感器均使用CMOS單元，這主要是出于制造方面的考慮。傳感器和光學器件常常整合在一起用于制造晶片級攝像機，這種攝像機被用在類似于生物學或顯微鏡學等領域，如圖1所示。

　　圖1：整合了光學器件和顏色過濾器的圖像傳感器的常用排列

圖像傳感器是為滿足不同應用的特殊目標而設計的，它提供了不同級別的靈敏度和質(zhì)量。

傳感器材料

硅制圖像傳感器應用最廣，當然也會使用其他材料，比如在工業(yè)和軍事應用中會用鎵(Ga)來覆蓋比硅更長的紅外波長。

不同的攝像機，其圖像傳感器的分辨率會有所不同。從單像素光電晶體管攝像機(它通過一維直線掃描陣列用于工業(yè)應用)，到普通攝像機上的二維長方形陣列(所有到球形整列的路徑均用于高分辨率成像)，都有可能用到。

普通成像傳感器采用CCD、CMOS、BSI和Foveon方法進行制造。硅制圖像傳感器具有一個非線性的光譜響應曲線，這會很好地感知光譜的近紅外部分，但對藍色、紫色和近紫外部分就感知得不好(如圖2所示)。

圖2：幾種硅光電二極管的典型光譜響應

可以注意到，光電二極管在900納米附近的近紅外范圍內(nèi) 具有高的敏感度，而在橫跨400納米～700納米的可見光范圍內(nèi)具有非線性的敏感度。由于標準的硅響應的緣故，從攝像機中去掉IR濾波器會增加近紅外的靈敏度。(光譜數(shù)據(jù)圖像的使用已獲得OSI光電股份有限公司的許可)

注意，當讀入原始數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)離散化成數(shù)字像素時，會導致硅光譜響應。傳感器制造商在這個區(qū)域做了設計補償，然而，當根據(jù)應用標定攝像機系統(tǒng)并設計傳感器處理方法時，應該考慮傳感器的顏色響應。

傳感器光電二極管元件

圖像傳感器的關(guān)鍵在于光電二極管的大小或元件的大小。使用小光電二極管的傳感器元件所捕獲的光子數(shù)量沒有使用大的光電二極管多。

如果元件尺寸小于可捕獲的可見光波長(如長度為400納米的藍光)，那么為了校正圖像顏色，在傳感器設計中必須克服其他問題。傳感器廠商花費大量精力來設計優(yōu)化元件大小，以確保所有的顏色能同等成像(如圖3所示)。

圖3：基本顏色的波長分配

注意，基本顏色區(qū)域相互重疊，對所有的顏色而言，綠色是一個很好的單色替代品

傳感器配置：馬賽克、Faveon和BSI

圖4顯示了多光譜傳感器設計的不同片內(nèi)配置，包括馬賽克和堆疊方法。在馬賽克方法中，顏色過濾器被裝在每個元件的馬賽克模式上。Faveon傳感器堆疊方法依賴于顏色波長深度滲透到半導體材料的物理成分，其中每種顏色對硅材料進行不同程度的滲透，從而對各自的顏色進行成像。整個元件大小可適用于所有顏色，所以不需要為每種顏色分別配置元件。

圖4：(左圖)堆疊RGB元件的Foveon方法，(右圖)標準的馬賽克元件

反向照明(back-side illuminated，BSI)傳感器結(jié)構(gòu)具有更大的元件區(qū)域，并且每個元件要聚集更多的光子，因而在晶粒上重新布置了傳感器接線。

圖5：元件顏色的幾個不同馬賽克配置，包括白色、基本RGB顏色和次要CYM元件

傳感器元件的布置也影響到顏色響應。例如，圖5顯示了基本顏色(R、G、B)傳感器以及白色傳感器的不同排列，其中白色傳感器(W)有一個非常清晰或非彩色的顏色濾波器。

傳感器的排列考慮到了一定范圍的像素處理，如在傳感器對一個像素信息的處理過程中，會組合在鄰近元件的不同配置中所選取的像素，這些像素信息會優(yōu)化顏色響應或空間顏色分辨率。

動態(tài)范圍和噪聲

當前，最先進的傳感器每個顏色單元能提供至少8個比特位，通常是12～14個比特位。傳感器元件需要花費空間和時間來聚集光子，所以較小的元件必須經(jīng)過精心設計，以避免產(chǎn)生一些問題。

噪聲可能來自于所用的光學元件、顏色濾波器、傳感器元件、增益和A/D轉(zhuǎn)換器、后期處理過程或者壓縮方法等。傳感器的讀出噪聲也會影響到實際的分辨率，因為每個像素單元從傳感器中讀出再傳到A/D轉(zhuǎn)換器中，從而組成數(shù)字形式的行和列，以便用于像素轉(zhuǎn)換。越好的傳感器會產(chǎn)生越少的噪聲，同時會得到更高效的比特分辨率。

傳感器處理

通常在每個成像系統(tǒng)中都有一個專有的傳感器處理器，包括一個快速HW傳感器接口、優(yōu)化的超長指令集(very long instruction word,VLIW)、單指令多數(shù)據(jù)流(single instruction multiple data, SIMD)指令以及具有固定功能的硬件模塊，這些功能是為了解決大規(guī)模并行像素處理所造成的工作負載。

通常，傳感器處理過程透明且自動化，并由成像系統(tǒng)的生產(chǎn)廠商設置，來自傳感器的所有圖像均以同樣的方式處理。也存在用于提供原始數(shù)據(jù)的其他方式，這些數(shù)據(jù)允許針對應用來定制傳感器處理過程，就像數(shù)字攝影那樣。

去馬賽克

馬賽克的一個主要挑戰(zhàn)之一是像素插值，其作用是將鄰近單元的顏色通道組合成單個像素。在給定傳感器元件排列的幾何形狀以及單元排列的縱橫比的條件下，這是一個重要的問題。一個與之相關(guān)的問題是顏色單元的加權(quán)問題，如在每個RGB像素中每種顏色應該占多少比例。

因為在馬賽克傳感器中，空間元件分辨率大于最終組合的RGB像素分辨率，某些應用需要原始傳感器數(shù)據(jù)，以便盡可能利用所有的精度和分辨率，或者有些處理要么需要增強有效的像素分辨率，要么需要更好地實現(xiàn)空間精確的顏色處理和去馬賽克處理。

壞像素的校正

像LCD顯示器一樣，傳感器也可能會有壞像素。通過在攝像機模塊或驅(qū)動程序中提供需要校正的壞像素坐標，供應商可以在工廠校正傳感器，并為已知的缺陷提供一個傳感器缺陷圖。

在某些情況下，自適應的缺陷校正方法會用在傳感器上，以便監(jiān)控鄰近像素點來發(fā)現(xiàn)缺陷，然后校正一定范圍內(nèi)的缺陷類型，比如單像素缺陷、列或行缺陷以及類似2×2或3×3的塊狀缺陷。為了實時尋找瑕疵，攝像機驅(qū)動也可提供自適應的缺陷分析，在攝像機的啟動菜單中可能會提供一個特殊的補償控制。

顏色和照明校正

有必要進行顏色校正以便平衡總的顏色精確度和白平衡。如圖1-2所示，硅傳感器上對紅色和綠色這兩種顏色通常很敏感，但是對藍色卻不敏感，因此，理解和標定傳感器是得到最精確顏色的基本工作。

大多數(shù)圖像傳感器的處理器包含了用于光暈校正的幾何處理器，這在圖像的邊緣表現(xiàn)為光照更暗。校正基于幾何扭曲函數(shù)，可考慮可編程的光照功能來增加朝向邊緣的光照，這需要在出廠前進行標定，以便與光學的光暈模式相匹配。

幾何校正

鏡頭可能會有幾何相差或朝邊緣發(fā)生扭曲，產(chǎn)生徑向失真的圖像。為了解決鏡頭畸變，大多數(shù)成像系統(tǒng)具有專用的傳感器處理器，它有一個硬件加速的數(shù)字扭曲元件，類似于GPU上的紋理采樣器。在工廠就會針對光學器件的幾何校正進行校準并編程。

審核編輯：劉清

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