影像傳感器

固態影像傳感器( solid state image sensors)技術起源於20世紀60年代末，它通過將光子轉換為電荷並記錄在存儲介質中以實現數字圖像的獲取( SHORTISet al，1996)。當前應用的固態影像傳感器類型主要有CCD、CMOS、JFETLBCAST、Foveon X3、Live MOS等，其中應用最多的是CCD和CMOS傳感器。 ^[1] 

除了起感光作用的光電管以外，影像傳感器還包括一系列的其他構件為了更好地利用光線。在每一像素前都裝有微透鏡，該透鏡起到“捆綁”光束的作用。微透鏡能夠減少邊緣光的損失。不同於傳統膠片，影像傳感器的光電二極管難以對傾斜射入的邊緣光束加以利用，照片四周較暗。微透鏡能使傳感器邊角處的光線也能垂直射入單個的光電管。

單個光電管只能記錄亮度值，也就是説，光電管是“色盲”。為了拍出彩色照片，在光電二極管的前一層加裝了紅、綠、藍三原色濾色鏡。

拜耳濾鏡中，各濾鏡之間的比例關係為紅25%、藍25%、綠50%。電腦屏幕上的所有色彩都是由這三種色彩按照不同比例混合而成的。如果三種色彩全部記錄下最大光量，像素顯示為白色。反之，如果三原色什麼都沒記錄下來，像素顯示為黑色。紅、綠、藍三種色彩相互疊加得到的各種色彩，涵蓋了人眼視力所能感知的所有色彩。綠色之所以佔到一半，是因為人眼對綠色更加敏感。 ^[2] 

傳感器前裝有一系列濾鏡，用於消除不想要的效果。基本上每台數碼相機都裝有低通濾鏡低通濾鏡加裝在相機的傳感器前，允許低頻光線通過，阻擋高頻光線。低通濾鏡的作用在於減弱摩爾紋。磨爾紋是一種因數碼相機的感光元件受到高頻干擾，而在圖像上出現的彩色的、形狀不規律的干涉條紋。如果數碼相機感光元件的空間頻率與被攝對象的空間頻率接近，就會產生摩爾紋。如果鏡頭的分辨率小於感光元件的空間頻率，影像中就不會出現與感光元件空間頻率相近的條紋，也就不會產生摩爾紋。但是，目前的技術水平有限，只能靠加入低通濾鏡來減弱摩爾紋。然而，低通濾鏡有一弊端，那就是它會大大降低相機的成像鋭度，影響畫質。

一般分為以下兩大類：

1、電荷藕合組件圖像傳感器 CCD（Charge Coupled Device）。CCD 是半導體組件，於 1970 年由美國貝爾 (Bell) 實驗室發明。 CCD 其實是一組可以進行"光電轉換"的光電體，當光通過鏡頭聚焦形成影像後，CCD便會將影像的光訊號轉換為電訊號（電壓）。光量愈大，釋放出的電子數量愈多，電訊號亦愈強，像素的顯示則會愈亮。在 CCD 上組成畫面的最小單位被稱為像素，每個光電體亦即等於一個像素。每塊 CCD 所含像素的數目與大小都與影像質素有着直接關係。像素愈高，輸出的影像質素便愈高。

2、互補性氧化金屬半導體CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor），和 CCD 一樣同為在數碼相機中可記錄光線變化的半導體。CMOS 的製造技術和一般計算機芯片沒什麼差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在 CMOS 上共存着帶N（帶–電） 和 P（帶+電）級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像。 ^[3] 

像敏單元以及數據處理和傳送方式的不同導致CCD和CMOS傳感器在性能上有所差異，主要體現在以下幾方面：

1、CCD像敏單元中沒有信號放大裝置，感光二極管可以佔據像敏單元表面較大的面積（開口率）。因此，CCD的光利用效率、動態範圍以及感光度等性能都優於CMOS。同時，由於像敏單元可以做得很小，在相同面積上CCD能夠排列更多的像敏單元，其分辨率也高於CMOS。

2、CCD中不同像敏單元輸出的電信號進行統一放大，其噪聲低於CMOS。另一方面，由於CMOS中各像敏單元單獨對其信號進行放大，很難保證所有放大器放大倍數的一致性，故更易導致像素響應的不均勻性。

3、CCD需要外加電壓才能使電荷移動，並且不同的垂直寄存器需要的電壓不一樣，要用專用的電源管理電路。因此，CCD的功耗比同尺寸的CMOS高。

4、CCD需要使用專門的製造設備，而且一個單元的損壞會造成整列報廢，因而其成品率低，生產成本和技術門檻較高。CMOS傳感器採用一般半導體電路最常用的CMOS工藝，技術相對成熟，製造成本較低，更易於普及。 ^[1] 

總體而言，CCD的成像性能優於CMOS。因此，在攝影測量領域應儘可能地採用基於CCD傳感器的數碼相機。