摄像头芯片 分类与应用

目录

人眼与摄像头；摄像头对人眼的拓展：

时间域；空间域；能量域；频谱域；

传感器选择；专题： CCD 、 CMOS 比较；

人眼的功能

人眼相当于一架摄像机，人通过视觉获取绝大多数信息。人眼由角膜、晶状体、前房后房、玻璃体等环节组成。

人眼局限：时间：看不到 50Hz 以上的闪烁，也不能长时间凝视；空间：人眼的最小分辨率空间角为 1 角分；能量：适合的光强为 0.1lux 到 3000lux ；频谱：只对 380nm 到 780nm 波长电磁波敏感；

摄像头的目的摄像头的目的就是在如下方面拓展人眼视觉：时间、空间、能量、频谱；

普通帧频 -------- 低帧频、高帧频； 普通分辨率 -------- 高分辨率； 普通照度 --------- 低照度、高动态范围； 可见光域 --------- 红外域、紫外域、 X 射线域、

多光谱域；

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人眼与摄像头；摄像头对人眼的拓展：

时间域；空间域；能量域；频谱域；

传感器选择；专题： CCD 、 CMOS 比较；

时间域

普通帧频在普通应用中，摄像头的帧频在 5 到 20

0 帧 / 秒之间。

时间域

慢扫描 在一些科学仪器或者医学微光成像应

用中，对图像的帧频要求不高，但是对信噪比、最低探测辐照度要求严格。这时会降低传感器的读出频率，以获取较低的读出噪音。这时，摄像头的帧周期可达到几分钟甚至数小时。

时间域

高速 高速摄像头帧频 500 到 2000 帧，代

表性的应用在：汽车碰撞试验、弹头运动分析等。

时间域

超高速 超高速摄像头帧频可达到 1MHz ，甚至

更高。这种超高速可以采用 CCD 器件实现，但是只能存储很短的序列图像，如288 帧。代表应用：流体力学、火焰分析、爆轰实验。

空间域

普通分辨率

面阵： 640×480 、 1280×1024 、 2K×2K 等；

线阵： 1024 、 2048 、 4096 等；

空间域

大分辨率

面阵： 5K×7k ， 10K×10K 等； 线阵： 10K ， 14K 等； 典型应用：航拍测绘、卫星遥感；

能量域普通照度

最低照度 信噪比为 1 时的辐照度；普通 CCD 摄像头敏感可达 0.2Lux ；普通 CMOS 摄像头在 1Lux 以上； 有些监控用夜视摄像头，标称达到 0.0

01Lux ，是加上图像帧间处理后的效果；

能量域低照度

低于 0.1Lux 以下的成像，就可以称为低照度应用；

低照度成像分为慢扫描和视频成像两种； 低照度下视频成像需要使用特殊 CCD ，如：

EMCCD 、 EBCCD 、 ICCD ； 普通的 CCD 传感器通过慢扫描方式也可以实

现 0.001Lux 照度下成像。 延长爆光时间，提高光辐照量；

降低信号读出速率，减少读出噪声；采用致冷技术，降低暗电流噪声；

能量域超高动态范围

动态范围：饱和照度 / 最低照度。饱和照度受摄像头传感器势阱容量限制，最低照度受摄像头总体噪声水平和传感器量子效率限制；

普通 CCD 摄像头动态范围为 48dB ～ 60dB ； 好的 CCD 电路设计，加上良好的噪声抑制电路

可以达到 72dB ； 专用 CMOS 传感器采用非破坏电荷读取技术和

非线性光电转换技术，可以达到 120dB 动态范围。典型应用：激光焊接实时监控；

频谱域可见光

具备和 人 眼接近的 光 谱响应曲线 ， 敏 感区间 在380nm 到 780nm 之间，峰值出现在 550nm左右；

频谱域红外

近红外：波长 0.8－ 2.5um ；中红外：波长 2.5－ 25um ； 远红外：波长 25um － 1000um ；

红 外 传 感 器 通常针对 1 － 2.5μm 、 3 －5μm 、 8 － 14μm三个红外窗口，如 InSb, HgCdTe, Vox 等；

典型应用：武器导航、电站监测、油库监测、轮机检测、医疗诊断等；

频谱域紫外光

由于地球大气层中的臭氧对 200－ 280纳米波段紫外光的几乎完全吸收，形成所谓的“日盲区”，工作在此波段的探测器的背景非常微弱而干净。

可以使用的器件包括：BCCD 、 EBCCD 、荧光粉＋可见光CCD 、紫外光电阴极像增强管等。

典型应用：高压线路放电检测、指纹提取、凝胶成像、化学发光成像等。

频谱域X 光

利用 X 射线生成待测样品的影像，显示其在厚度变化、内部和外部缺陷以及装配细节等，广泛应用于医疗和工业无损检测；

波长略大于 0.5纳米的被称作软 X 射线，波长短于 0.1纳米的叫做硬 X 射线。

医疗主要使用软 X 射线（管电压小于 25 kV）。能量小，对人体损伤小，具有大的吸收系数，因此成像更清晰，密度分辨率也更高。

工业检测典型应用：焊缝检测、钢丝绳检测、工业 CT 、轮胎检测、复合材料的缺陷检测 等。

频谱域多光谱

通常摄像头只是获得一定范围内光谱曲线积分的结果。

多光谱、超光谱成像技术不同于传统的单一宽波段成像技术，而是将成像技术和光谱测量技术相结合，获取的信息不仅包括二维空间信息，还包含随波长分布的光谱辐射信息，形成所谓的“数据立方”。

多光谱的实现通常有两种方式。一种是采用多镜头成像，每个镜头对应一个光谱段，用带通滤波器选出对应谱段，各镜头同时对同一视场成像。另一种方式是采用单镜头成像，在焦面上采用分色系统，将不同谱段的像分开。

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时间域；空间域；能量域；频谱域；

传感器选择；专题： CCD 、 CMOS 比较；

传感器选择普通应用

面阵 / 线阵； 分辨率； CCD/CMOS ；工作帧频；黑白 /彩色，以及彩色掩膜；

传感器选择普通应用

CCD转移方式：全帧型、帧转移型、行间转移；

势阱深度，决定可探测信息的动态范围； 量子效率及背景噪音，决定可以探测的最

低照度；其他，像元尺寸、敏感波长、像元间距、逐 /隔行、抗辐照加固、工作温度；

传感器选择特殊应用

主要依靠选择专用的光电传感器。如：紫外成像、红外成像、多光谱成像、超高帧频成像、低照度成像、 Xray 成像等；

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CCD 、 CMOS 比较1. 信息读取方式 CCD 电荷耦合器存储的电荷信息，需在同步信号控制

下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂。 CMOS 光电传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单。

2. 速度 CCD 电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位

一位一位地输出信息，速度较慢；而 CMOS 光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，速度比 CCD 电荷耦合器快很多。

3. 电源及耗电量 CCD 电荷耦合器至少需要三组电源供电，耗电量较大； CMOS

光电传感器一般只需使用一个电源，耗电量非常小，仅为 CCD 电荷耦合器的 1/8 到 1/10 ， CMOS 光电传感器在节能方面具有很大优势。

4. 成像质量 CCD 电荷耦合器制作技术起步早，技术成熟，采用 PN结或二氧化硅隔离层隔离噪声，成像质量相对 CMOS 光电传感器有一定优势。由于 CMOS 光电传感器集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大。近年，随着 CMOS 电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的 CMOS 图像传感器提供了良好的条件。

CCD 、 CMOS 比较

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