物联网传感器–图像

November 29, 2022

概述

物联网世界中的复杂性越来越明显，我们最近接到一个公司的需求去做一款监测老鼠的物联网产品，并通过无线传输所拍摄的图片，除需要监测环境的温度和湿度等常用的物联网传感器外，就需要图像传感器来进行拍照以获得环境的信息。尤其随着AI等智能化的技术的发展，我们正在机器学习概念的帮助下识别和分类对象，这一切都可以在图像传感器的帮助下实现。

图像传感器是一种将光学图像转换为电子信号的电子设备。它用于数码相机和成像设备，以将落在相机或成像设备焦点上的光改变为数字图像。当光线落在相机的焦点上时，图像传感器捕捉到光线并将其转换为电子标志，然后将其传输到相机或成像设备处理器，后者将电子标志转换为数字图像。

图像传感器相当于生物的眼睛。图像传感器使我们能够更直接地将高质量图像和视频捕获为数字格式，以便于使用。

在人眼中，视杆细胞和视锥细胞受体与神经节细胞协同工作，将光子转化为电化学信号，然后大脑中的枕叶可以处理该信号。

传感器分类

图像传感器的基本原理是：光子被捕获为带电电子和硅，并通过使用电容器和放大器转换为电压值，然后转换为可以由计算机处理的数字代码。

CCD（电荷耦合器件）

电荷耦合器件Charge-Coupled Device(CCD)于 1969 年由贝尔实验室的Willard S. Boyle和George E. Smith发明。在研究 MOS 技术时，他们意识到电荷类似于磁泡，并且它可以存储在一个微小的MOS 电容器上。由于连续制造一系列 MOS 电容器相当简单，因此他们为它们连接了合适的电压，以便电荷可以从一个转移到下一个。CCD 是一种半导体电路，后来用于电视广播的第一台数字摄像机。

早期的 CCD 传感器存在快门滞后问题。随着固定光电二极管(PPD)的发明，这在很大程度上得到了解决。1980年由NEC的Nobukazu Teranishi、Hiromitsu Shiraki和Yasuo Ishihara发明。它是一种具有低滞后、低噪声、高量子效率和低暗电流的光电探测器结构。1987 年，PPD 开始并入大多数 CCD 设备，成为消费电子摄像机和数码相机的固定装置 . 从那时起，PPD 被用于几乎所有的 CCD 传感器，然后是 CMOS 传感器。

CCD图像传感器的每个单元都是一个模拟设备。当光线照射到芯片上时，它会在每个光传感器中保持为少量电荷。最靠近（一个或多个）输出放大器的像素行中的电荷被放大并输出，然后每行像素将其电荷移动一行使其更靠近放大器，填充最靠近放大器的空行。然后重复此过程，直到所有像素行的电荷都已放大并输出。

在 CCD图像传感器中，像素由p 掺杂金属氧化物半导体(MOS)电容器表示。这些MOS 电容器是 CCD 的基本组成部分，在图像采集开始时偏置在反转阈值以上，允许将入射光子转换为半导体氧化物界面处的电子电荷；然后使用 CCD 读出这些电荷。

CMOS (互补金属氧化物半导体)

互补金属氧化物半导体 Complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) 也是一个集成的链接或耦合电容器阵列。此外，工作原理与 CCD 相同，但不是沿着阵列移动电子电荷然后进行修改。CMOS 传感器为每个像素添加了额外的电路，使其能够对信号进行几乎所有的单独处理，然后将其直接发送到 CPU。

现代 CMOS 传感器的一个关键元件是固定光电二极管The pinned photodiode(PPD)。它于 1980 年由NEC的Nobukazu Teranishi、Hiromitsu Shiraki 和 Yasuo Ishihara发明，然后由 Teranishi 和 Ishihara 与 A. Kohono、E. Oda 和 K. Arai 于 1982 年公开报道，其中添加了抗起霜结构。固定光电二极管是一种低滞后、低噪声、高量子效率和低暗电流的光电探测器结构。NEC 发明的新型光电探测器结构于 1984 年被柯达的 BC Burkey 命名为“固定光电二极管”(PPD)。1987年，PPD 开始并入大多数 CCD 传感器，成为消费电子摄像机的固定装置，然后数码相机。从那时起，PPD 被用于几乎所有的 CCD 传感器，然后是 CMOS 传感器。

图像传感器的参数

图像传感器格式（大小）

图像传感器有不同的格式类型（也称为光学类别、传感器尺寸或类型）和封装。分辨率和像素大小将决定传感器的整体尺寸，较大的传感器具有更高的分辨率或比较小的传感器更大的像素尺寸。

传感器像素大小

像素尺寸以微米（μm）为单位测量，包括光电二极管和周围电子设备的整个区域。CMOS像素由光电二极管、放大器、复位门、转移门和浮动扩散组成。通常，较大的像素尺寸越好，因为光电二极管有更多的区域来接收光。

灵敏度

灵敏度是芯片的重要参数之一，它具有两种物理意义。一种指光器件的光电转换能力，与响应率的意义相同。即芯片的灵敏度指在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压（电流），单位可以为纳安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦（V/W）、伏/勒克斯（V/Lux）、伏/流明（V/lm）。另一种是指器件所能传感的对地辐射功率（或照度），与探测率的意义相同，。单位可用瓦（W）或勒克斯（Lux）表示

帧率

既指单位时间所记录或者播放的图片的数量。连续播放一系列图片就会产生动画效果，根据人类的视觉系统，当图片的播放速度大于15幅／秒（即15帧）的时候，人眼就基本看不出来图片的跳跃；在达到24幅／s～30幅／s（即24帧到30帧）之间时就已经基本觉察不到闪烁现象了。每秒的帧数（fps）或者说帧率表示图形传感器在处理场时每秒钟能够更新的次数。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的视觉体验

单色和彩色光谱响应

由于单色传感器和彩色传感器之间的物理差异，以及传感器制造商的技术和像素结构之间的差异，不同的传感器会不同程度地感知光线。更准确地了解传感器对光的敏感性的一种方法是阅读其光谱响应图（也称为量子效率图）。

信噪比

是信号电压对于噪声电压的比值，信噪比的单位用dB来表示。一般摄像机给出的信噪比值均是AGC（自动增益控制）关闭时的值，因为当AGC接通时，会对小信号进行提升，使得噪声电平也相应提高。信噪比的典型值为45～55dB，若为50dB，则图像有少量噪声，但图像质量良好；若为60dB，则图像质量优良，不出现噪声，信噪比越大说明对噪声的控制越好

快门类型

两种主要的电子快门类型是全局快门和卷帘快门。这些快门类型的操作和最终成像结果不同，尤其是当相机或目标处于运动状态时。全局快门传感器对于高速移动物体的成像至关重要，卷帘快门传感器为静态或缓慢移动的物体成像提供了出色的灵敏度。

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