工业相机之传感器芯片的分析和对比

（文章来源：老白说图像）

工业相机是机器视觉中最核心的组件，其功能就是将来自镜头的光信号转换为电信号，并将转换为对应的模拟或数字信号，并将这些信息传输到处理器中，完成对这些图像信息的处理和分析。在工业相机内部，最重要的就是其传感器芯片，也就是我们常说的感光芯片。

传感器是相机的核心部件，目前相机常用的感光芯片有CCD（ChargeCoupledDevice电荷耦合器件）和CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor互补金属氧化半导体）两类。CCD和CMOS图像传感器感光原理类似，基本上都是利用感光二极管（photodiode）进行光与电的转换，将图像转换为数字信息，它们的主要差异在数字信号传送方式的不同。

CCD图像传感器每一行中每一个像素（pixel）电荷信号都会依序传送到下一个像素中，由最底端的部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出。在感光元器件收到光照后，感光元件会生成对应的电流，电流大小与光强度对应，因此感光元器件输出的电信号是模拟信号。在CCD感光器件中，每一个感光元件都不对此电流做处理，而是将它直接输出到垂直寄存器，传到水平寄存器中，然后才能统一输出。

由于感光元件生成的电信号实在太微弱，再加上会产生大量的电压损耗，无法进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做一个统一的放大处理，因而会在水平寄存器之后放一个放大器，经过放大器的放大处理之后，每个像素点的电信号强度获得同样幅度的增大。常用的CCD有3种结构，分别为全帧转移（Fullframe）、帧传输（Frametransfer）和行转移（InterlineTransfer）。

全帧转移CCD传感器的感光区域和存储区域在一起，即感光单元也是电荷寄存器，这样做的优点就是填充因子(fillfactor)可达到100%，传感器灵敏度高；缺点就是缺点：由于传输和读出使用的时钟相同，因此Sensor上面的部分曝光时间比下面的长，这会造成Smear（漏光）现象。

帧传输CCD传感器的感光区和存储区完全分开，且大小相等。这种传感器的优点就是填充因子(fillfactor)可达到100%，在读出过程中，可对下一帧曝光；在曝光时间较长的情况下，Smear现象比FullFrameArraySensor小很多。缺点：需要两个Sensor，成本高。

行转移CCD传感器中的单个像素面积中包含了感光区和存储区，这样感光电子转移时间非常短，约为1us，因此不会出现Smear现象，不需要使用机械快门或闪光灯。缺点就是由于屏蔽区占用了Sensor的部分面积，因此使得此种传感器填充因子只能在20%~70%，通过微透镜可以增加填充因子。

在CMOS图像传感器中，每个像素都会连接一个放大器及模数转换电路，用类似内存电路的方式将信号输出。CMOS传感器中在每个像素单元中，除感光部分外，还有放大器和读出电路部分，整个CMOS传感器还集成了寻址电路、放大器和A/D。由于每个像素单元都集成了一个放大器，就会造成很多噪声的形成，进而导致成像质量的下降。

CMOS传感器相对于CCD传感器，成本较低，功耗较低，满阱能力较低，噪声相对于较大。
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