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摄像头芯片

分类与应用


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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；


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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；


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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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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；


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时间域
普通帧频
在普通应用中，摄像头的帧频在5到200
帧/秒之间。


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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。


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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。


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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。


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空间域
普通分辨率
面阵：640×480、1280×1024、
2K×2K等；
线阵：1024、2048、4096等；


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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；


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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
0.001Lux，是加上图像帧间处理后的效
果；


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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；


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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；


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可见光

频谱域

 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；


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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；


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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。


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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。


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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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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；


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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；


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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；


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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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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；


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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。


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CCD、CMOS比较
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。


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谢谢大家!