定义
可用于成像的光电传感器。
图像传感器是光电传感器，可以以空间分辨的方式测量光强度，用于成像应用。 它们用于各种相机和扫描仪，例如
- 在数码相机中，
- 在摄像机中（用于电视、消费类设备、监控、工业等），
- 用于热成像（热成像），以及
- 适用于各种扫描仪，例如文档扫描仪。
一些图像传感器仅生成一维图像，但是通过将多个具有一致横向间距的图像组合在一起，可以组合二维图像。 例如，这通常在文档扫描仪中完成。 其他传感器直接产生二维图像。
图像传感器也称为焦平面阵列（FPA），表明它们是放置在成像系统焦平面中的探测器区域。
线性图像传感器
光电二极管阵列
如果只需要相对较少的像素，则可以使用光电二极管阵列。 它每像素包含一个光电二极管，所有这些二极管都可以用单独的导线寻址。 通常，一个有一个线传感器，所有像素排列在一行中。
然而，对于具有数千像素的线传感器来说，这种简单的方法并不实用，因为导线连接的数量是不切实际的。 即使可以制造合适的连接器，也不利于进一步处理数据，例如使用微处理器。
光电二极管阵列可提供用于特定光谱区域的不同类型的光电二极管。 例如，有硅阵列用于可见光或近红外辐射，而砷化铟镓器件则进一步进入红外线。
带顺序读数的线传感器
对于具有较大像素的线传感器（用于线阵扫描相机），需要更改一些基本操作原则。 不是并行读出所有像素的信号，而是需要使用某种方法来实现串行读出：与不同像素相关的信号强度随后传输，即在略有不同的时间传输。
实现这种光电流技术并不是最实用的 - 提供在某个时间对应于特定光电二极管的光电流的输出电流。 基于电压的概念也是如此。 相反，常见的方法是使用电荷而不是电流；这种电荷在一定的暴露时间内累积（当然可以根据测量条件进行调整）。
电子图像传感器通常以光电半导体芯片的形式实现，其中所有像素所需的结构是并行制造的。 不同传感器之间，光敏元件使用的结构可能有很大差异，但通常它们基于具有某种光电探测器的基本原理，该光电探测器在曝光期间为电容器充电。 在曝光开始之前，电容器被充电以达到某个固定偏置电压。 曝光后，电容器将获得一定量的电荷（或电荷变化），这反映了曝光期间接收到的光总量。
最终，电荷需要转换为电压信号。 图像传感器使用不同的方法进行转换；以下各节将介绍CMOS和CCD传感器的概念。 它们都基于硅技术，在整个可见光范围内提供光敏性，并在一定程度上进入红外线。
线性CMOS传感器
CMOS是指互补金属氧化物半导体，这是一种为制造微处理器等集成电子电路而开发的技术。 CMOS图像传感器基本上采用了相同的技术。 光电探测器可以是光电二极管或光电门。
在CMOS传感器的早期，使用无源像素传感器（PPS），其中每个光电探测器只有一个MOS晶体管，通过该晶体管可以让电荷通过总线流向电荷放大器（整个传感器只有一个），例如高度线性的电容跨阻放大器。 这个概念可以通过相对简单的芯片设计来实现，具有良好的填充因子，即光敏器件覆盖了每个像素的大部分面积。
在具有有源像素（APS =有源像素传感器）的现代CMOS传感器中，每个光电探测器都有一个电荷放大器，因此可以实现更好的信噪比和更高的速度，但线性度精度较低。 附加晶体管可用于实现全局快门曝光控制、噪声抑制等功能。 这些电子设备提供反映接收到的电荷的电压值，该电压值可以引导到带有其中一个晶体管的总线线。 甚至模数转换也可以在像素级别完成，从而产生每个光电探测器具有五个或更多晶体管的数字像素传感器，并且在进一步处理时不会损失信号质量。
虽然在实践中通常按顺序读取所有像素的数据，但CMOS传感器也允许以任意顺序对像素进行寻址，类似于随机存取存储器（RAM）中的字节寻址。 例如，在某些情况下，人们可能只读出一定范围的像素，或者只使用每隔一个像素来快速获取一些有限量的信息。
CMOS传感器技术的一个主要优点是，它可以很容易地与CMOS芯片上的其他模拟或数字电路集成。
线性CCD传感器
CCD传感器基于电荷耦合器件的原理，该器件最初是为纯电子应用而开发的，但已发现对成像最有用。 虽然光敏部件可以与CMOS传感器相同，但读出方法完全不同。 我们首先考虑线性CCD传感器阵列的简单情况，并在后面的部分中讨论二维CCD传感器。
一种常见的实现方式涉及传输门，它是平行于MOS传感器像素放置的另一种阵列结构；它本身通过一些屏蔽使光不敏感，并充当模拟移位寄存器。 曝光后，首先将光电探测器的电荷转移到传输门中。 此后，然后根据移位寄存器的原理按顺序从那里读出信号。 在每个步骤中，将电荷从移位寄存器的每个电池传输到邻近的单元 - 除了最后一个，其中信号由电荷放大器（通常在单独的模拟芯片上）读出，产生电压信号。 在曝光后的第一步中，输出将反映其中一个探测器接收到的光量；在进一步的转换周期中，随后获得所有其他探测器的信号。 在移位过程中，光电探测器可能会对下一个图像帧进行曝光。
然后，在同一芯片上的模数转换器中将随时间变化的电压信号转换为数字信号。 请注意，只需要一个电荷放大器和模数转换器，这不仅节省了芯片空间，而且消除了不同像素之间的性能偏差问题，降低了像素缺陷的频率。 与更复杂的多晶体管CMOS设计相比，光电探测器本身具有相当简单的结构，更容易制造出具有均匀特性的器件。
电荷的移位寄存器很容易通过一些电极布置来实现。 通常，它每个检测器像素有三个单元。 在将电荷转移到转移门后，只有每三个电池中就含有电荷，该电荷保存在由相应电极创建的电位孔中。 现在可以通过改变所有电极电压来移动电位阱，这样每个电荷都流入相邻的电池，同时避免任何电荷混合。 移位寄存器原理还有其他详细的实现，但基本原理始终如上文所述。
也可以将光检测和移位寄存器的功能结合起来，但随后需要外部快门来防止在移位操作期间进一步照明 - 除非移位可以比图像曝光快得多。
通常，CCD传感器芯片与附加芯片相辅相成，用于提供所需的时钟信号，A / D转换，进一步的信号处理等。
2009年诺贝尔物理学奖强调了CCD传感器技术的重要性，其中一半授予Williard S. Boyle和George E. Smith，以表彰他们发明了电荷耦合器件的原理。
二维CMOS和CCD图像传感器
对于可以轻松拥有数千甚至数千万像素的二维图像传感器，每个探测器像素使用一根导线显然是不切实际的；如上所述，线性探测器阵列需要顺序读出方法，只是以某种调整的形式。
首席营销系统
二维CMOS图像传感器允许人们通过每个像素的行号和列号随机寻址每个像素。 （行或列的数量通常太大，无法用相同数量的外部导线连接来寻址它们；需要使用通过几根线传输的二进制地址代码作为某些行或列解复用器的输入。 在有源像素传感器中，地址像素的模拟电压信号被发送到总线，而不会显著损失信号质量。 数字像素传感器传输数字数据，消除了信号质量的任何损失。
对于CMOS传感器，图像行的曝光周期通常是交错的；一个具有滚动或滚动快门。 但是，也可以实现全局快门，尽管它可以减少可用的曝光时间，例如在摄像机中，但更适合与移动物体一起使用。
CCD
对于CCD传感器，可以使用额外的移位寄存器来复用来自不同图像列的信号。 对于每个图像行，使用垂直移位寄存器为水平移位寄存器馈送每列一个点，然后移动这些值以产生输出信号。 每进一步的垂直偏移都会为另一行提供数据。 因此，获取像素图像数据的顺序是硬连线的，无法更改。
CCD传感器实际上有不同的架构，例如隔行传输传感器，帧传输传感器，全帧传感器等，其中多路复用技术的细节不同。
CMOS和CCD的比较
由于CMOS和CCD传感器芯片领域的技术发展，它们的相对优点随着时间的推移而变化，并且在很大程度上取决于选择的详细器件。 例如，虽然CMOS传感器最初被认为灵敏度较低，图像质量较低，但现在有CMOS传感器提供相当好的图像质量以及非常相似的填充因子和灵敏度。 尽管如此，还是可以认识到一些普遍的差异：
- CMOS传感器可以更容易地与同一芯片上的其他微电子器件集成，提供暗电流补偿和其他信号处理等功能。 例如，有些设备具有对数响应，可以覆盖非常大的动态范围（有时>60 dB）。 甚至可以使用单芯片数码相机传感器；这可以实现极其紧凑的相机。
- CMOS相机的制造成本通常较低，特别是因为所需的额外电子设备较少。
- CMOS技术只需要一个工作电压（例如2.5 V、3.3 V或5 V），而CCD芯片通常需要更高的电压和更高的电功率（尽管也开发了一些低压器件）。
- CMOS芯片提供更快的读出速度。
- CMOS传感器的固定图案噪声（由不同像素的电子部件之间的偏差引起）仍暂时高于CCD。 此外，像素缺陷更常见。
电荷注入装置
CCD传感器的一种变体是电荷注入设备（CID）。 它们采用相同的MOS技术制造，并且还使用通过照明放电的电容器。 与CCD传感器的区别本质上是读出方法：不同像素的电荷直接通过总线信号读出，而不是将它们顺序耦合到相邻像素。 这大大减少了像素之间的串扰，例如高光强度水平下的泛光效果。 此外，这种方法允许对像素进行随机访问，即它不强制顺序读出。 否则，性能数字是相似的。
CID不像CCD那样广泛使用，但可以成为特殊应用的有利选择，通常具有特殊调整的设计。 例如，有些器件具有相当大的像素电荷容量，针对宽动态范围的检测进行了优化，并且可能提供量子限制噪声。 此外，还有具有改进的耐辐射性的图像传感器。
彩色成像
单色相机可以简单地使用每个像素一个光电探测器。 对于彩色图像，已经开发了几种更复杂的技术：
- 可以使用二向色分束器将光的红色、绿色和蓝色分量引导到三个独立的探测器芯片。 这种三CCD相机以全分辨率和良好的分色提供彩色图像，还具有最佳的量子效率，但成本高昂且设置不那么紧凑。 该原理用于一些工业相机和专业摄像机，但通常不适用于消费类相机。
- 对于单个芯片上的每个像素，可以使用三种不同的光电探测器，配备不同的滤色片。 然而，探测器数量的大幅增加是有问题的；由于检测器尺寸不能任意减小，或者芯片尺寸增加，因此可以得到图像传感器的像素总数减少。
- 使用特殊图案的滤色片可以获得更好的分辨率，例如以普通拜耳滤光片的形式（以其发明者布莱斯拜耳的名字命名），包含红色、蓝色和两倍的绿色部分。 然后通过带有去马赛克算法的插值程序获得每个像素的实际颜色。 每个光电探测器获得一个像素，但与三CCD设备相比，分辨率和色彩保真度肯定会有显着损失。 这种技术用于大多数照相机和摄像机，也用于扫描仪。
增强型传感器
在CCD或CMOS芯片前面有图像传感器，它与基于微通道板检测器（一种光电倍增管）的图像增强器相结合。 这允许这种增强型传感器（例如ICCD=增强型CCD）在非常低的光照条件下运行。 然而，与普通传感器在较高光照水平下的操作相比，量子效率通常会更低，并且图像噪声会增加。
光子计数传感器
对于极低光水平的成像，还可以使用盖革模式中使用的单光子雪崩光电二极管。 现在，它们甚至可以在大型硅基CMOS探测器阵列中制造。 例如，它们适用于通过飞行时间测量进行单光子3D成像。
用于其他光谱区域的传感器
尽管CCD和CMOS传感器芯片的技术在几十年内被驱动到非常高的水平，但它基本上仅限于硅。 因此，它们仅对大约低于 1 μm 的波长具有光敏性。 大多数设备与可见光一起使用，有些也用于近红外或紫外线区域。
对于较长波长的红外成像，需要不同的技术：
- 有改进的CMOS探测器，其中光检测是基于砷化铟镓（InGaAs）完成的，而电子处理是用传统的硅基CMOS技术完成的。 不幸的是，不同半导体技术的集成是困难的，导致高成本和性能大大降低，例如在空间分辨率方面。
- 对于更长的波长，有基于微测辐射热计的传感器，它们记录由辐射吸收引起的微小部件的轻微发热。 这种传感器用于红外热像仪。 它们的分辨率、灵敏度和速度非常有限，而且相当昂贵。
图像传感器重要参数及其优化
光灵敏度、填充因子和量子效率
通常需要在有限的光量下获得足够的信号强度，以限制必要的曝光时间。 因此，人们试图获得高量子效率的检测。
CMOS或CCD芯片的光敏部件可能具有相当高的量子效率，在可见光谱范围内通常在80%甚至90%左右。 然而，一些光经常会丢失，因为光敏部分不能覆盖整个像素区域。 填充因子有限的问题可以通过最小化光敏感部件的尺寸或通过正确将入射光引导到敏感区域（例如使用微透镜阵列）来减少。 然而，后一种方法可能会产生有害的副作用，例如灵敏度的方向性增加（其相关性取决于所使用的光学相机设计）以及由于不同像素之间的光学串扰而导致的拖尾效应。 已经开发了某些在这方面更好的楔形结构。
另一种方法是通过厚度减小的基板进行背面照明。 该原理已成功应用于CCD和CMOS传感器。
CMOS传感器在灵敏度方面不一定比CCD传感器差，尽管用于非光敏部件的芯片面积暂时更大。
请注意，术语“敏感性”经常被错误地使用，而不是“响应”。 灵敏度还取决于图像噪声，图像噪声可能有不同的来源：
- 与光子统计相关的散粒噪声可以在敏感应用中发挥作用。 如果探测器在测量时间内平均收集一定数量的载流子，则存在不确定性（标准偏差），即该数字的平方根。
- 热噪声不仅可能导致暗电流（对于具有一定偏置电压的操作），而且还会影响电荷测量：当电容器在测量周期开始时放电时，它不会完全放电，而是保持一些热能，这会导致测量结果中的热噪声 - 除非也测量初始电压并从结果中减去（有时会这样做）。
- 电荷放大器可能会增加一些进一步的噪声，其中部分也是热噪声。
- 由于微观参数变化，不同像素之间可能存在系统偏差；每次使用软件测量后，都可以消除这种固定模式噪声。
为了获得最高的灵敏度，例如在天文学中，图像传感器通常必须冷却以减少热噪声。 通过对整个系统进行适当的优化，可以实现光子噪声受限的性能。
传感器格式
图像传感器有多种格式可供选择。 智能手机中使用的微型相机传感器只有几毫米宽，而单反相机的典型传感器宽度约为30毫米。 通常，传感器明显小于36 mm×24 mm的全尺寸尺寸（其中裁剪系数表示对角线尺寸的减小），但也有全尺寸传感器，甚至是更大尺寸的传感器。
宽度与高度的比例通常为4：3或16：9，对应于常用的图像格式。 但是，其他格式（如 1：1 和 2：1）也可用于特殊用途相机。
空间分辨率和像素间距
图像传感器的分辨率仅由水平和垂直方向的像素数指定，例如，1024 × 768 或 1600 × 1200。
CMOS或CCD传感器中的像素间距（像素间距）通常在2μm到30μm之间。 例如，如果消费类照片相机包含 3000 × 2000 像素的图像传感器（宽 24 毫米），则像素间距为 24 mm / 3000 = 8 μm。 （像素的高度和宽度通常应相同。 像素大小可以略小于像素间距；不是整个芯片区域都是活动区域。
显然，像素间距应该足够小，以利用光学部件的全部分辨率潜力，而另一方面，使其明显更细是没有意义的，因为这不仅会增加制造成本，而且还会不必要地增加要处理的数据量，还可能降低填充因子，从而提高效率。
动态范围、线性度、溢出效应
具有集成模数转换器的图像传感器（例如CMOS传感器）根据位数具有动态范围的限制。 例如，一个 14 位传感器可以提供 214 = 16，384 个不同的强度值，对应于 42 dB 的动态范围。 如果最低位没有意义，则实际动态范围可能会更小。 对于具有模拟输出（CCD）的传感器芯片，动态范围受噪声限制。
根据电子设备的细节，CCD或CMOS芯片可以在一定的光强度范围内具有高度线性，或者表现出实质性的非线性。 在这方面，所用电荷放大器的类型和质量可能很重要。
对于超出像素全阱容量的过度照明，载流子溢出到相邻像素可能会产生泛光效果。
串扰
串扰意味着光线照射到一个像素上也会在我们的像素上产生一些响应。 这可能以光学串扰的形式发生，例如通过微透镜上的光散射。 此外，电子设备中也可能发生串扰，尤其是在高光照水平下。
像素缺陷
特别是对于CMOS传感器，以及CCD传感器，可能会发生某些像素有缺陷的情况，例如，即使没有入射光，也始终提供最大信号，或者始终为零信号。 这可能并不总是立即被注意到，但即使是消费级相机当然也不应该表现出大量的坏点。
读出时间和帧速率
读出完整图像帧的时间可能很长，特别是对于具有数百万像素的高分辨率CCD传感器。 例如，这限制了摄像机可能的帧速率。 因此，已经为CCD传感器开发了多抽头技术，其中图像的不同部分通过两个，四个甚至更多的输出并行传输。 但是，这可能会导致问题，因为需要多个电荷放大器和A/D转换器，这可能会在性能参数上有所偏差，从而产生图像伪影。
CMOS传感器通常更快，并且有每秒数千张图像的版本。
与物镜的兼容性
例如，对于照相机，使用的图像传感器必须与使用的摄影物镜完美配合。 例如，物镜针对某种图像传感器格式进行了优化。 此外，光在传感器上的入射角可能取决于物镜，并且某些传感器（例如微透镜）可能无法很好地处理较大的入射角；它们应与远心镜头配合使用。
