光学传感器

一、引言：
传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器的应用：
常见的：
1、自动门，利用人体的红外微波来开关门。

2、烟雾报警器，利用烟敏电阻来测量烟雾浓度，从而达到报警目的。

3、手机，数码相机的照相机，利用光学传感器来捕获图象。

4、电子称，利用力学传感器（导体应变片技术）来测量物体对应变片的压力，从而达到测量重量目的。

5、水位报警，温度报警，湿度报警，光学报警等都是……
智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。

例如，它在机器人领域中有着广阔应用前景，智能传感器使机器人具有类人的五官和大脑功能，可感知各种现象，完成各种动作。

在工业生产中，利用传统的传感器无法对某些产品质量指标（例如，黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等）进行快速直接测量并在线控制。

而利用智能传感器可直接测量与产品质量指标有函数关系的生产过程中的某些量（如温度、压力、流量等）。

二、光学传感器：
说到光学传感器，大家应该不陌生吧，它在我们的生活中应用很广泛，也很普遍，早期相机里面的图像传感器就是光学传感器的一种，有很多人不怎么关注，其实，在我们身边有很多传感器。

光学传感器种类主要有激光、红外光、照度、可见光以及图像传感器等等，它们分别利用光的一些固有特性，快速发展起来的传感技术。

比如，激光的出现，使无线电技术和光学技术突飞猛进、相互渗透、相互补充。

现在，利用激光已经制成了许多传感器，解决了许多以前不能解决的技术难题，使它适用于煤矿、石油、天然气贮存等危险、易燃的场所。

还有用激光制成的光导纤维传感器，能测量原油喷射、石油大罐龟裂的情况参数。

在实测地点，不必电源供电，这对于安
全防爆措施要求很严格的石油化工设备群尤为适用，也可用来在大型钢铁厂的某些环节实现光学方法的遥测化学技术。

三、相机中的传感器：
传感器就是我们常说的CCD
是英文Charge Coupled Device 即电荷耦合器件的缩写，它是一种特殊半导体器件，上面有很多一样的感光元件，每个感光元件叫一个像素。

传感器在摄像机里是一个极其重要的部件，它起到将光线转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此其性能的好坏将直接影响到摄像机的性能。

衡量指标：
衡量传感器好坏的指标很多，有像素数量，传感器尺寸，灵敏度，信噪比等，其中像素数以及传感器尺寸是重要的指标。

像素数是指传感器上感光元件的数量。

摄像机拍摄的画面可以理解为由很多个小的点组成，每个点就是一个像素。

显然，像素数越多，画面就会越清晰，如果传感器没有足够的像素的话，拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响，因此，理论上传感器的像素数量应该越多越好。

但传感器像素数的增加会使制造成本以及成品率下降，而且在现行电视标准下，像素数增加到某一数量后，再增加对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显，因此，一般一百万左右的像素数对一般的使用已经足够了。

单传感器摄像机是指摄像机里只有一片传感器并用其进行亮度信号以及彩色信号的光电转换，其中色度信号是用传感器上的一些特定的彩色遮罩装置并结合后面的电路完成的。

由于一片传感器同时完成亮度信号和色度信号的转换，因此难免两全，使得拍摄出来的图像在彩色还原上达不到专业水平很的要求。

为了解决这个问题，便出现了3传感器摄像机。

3传感器，顾名思义，就是一台摄像机使用了3片传感器。

我们知道，光线如果通过一种特殊的棱镜后，会被分为红，绿，蓝三种颜色，而这三种颜色就是我们电视使用的三基色，通过这三基色，就可以产生包括亮度信号在内的所有电视信号。

如果分别用一片传感器接受每一种颜色并转换为电信号，然后经过电路处理后产生图像信号，这样，就构成了一个3传感器系统。

传感器原理：
说到传感器的尺寸，其实是说感光器件的面积大小，这里就包括了CCD和CMOS。

感光器件的面积大小，CCD/CMOS面积越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。

CCD/CMOS是数码相机用来感光成像的部件，相当于光学传统相机中的胶卷。

传感器上感光组件的表面具有储存电荷的能力，并以矩阵的方式排列。

当其表面感受到光线时，会将电荷反应在组件上，整个传感器上的所有感光组件所产生的信号，就构成了一个完整的画面。

传感器分解：
如果分解传感器，你会发现传感器的结构为三层，第一层是“微型镜头”，第二层是“分色滤色片”以及第三层“感光层”。

第一层“微型镜头”
我们知道，数码相机成像的关键是在于其感光层，为了扩展传感器的采光率，必须扩展单一像素的受光面积。

但是提高采光率的办法也容易使画质下降。

这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。

因此感光面积不再因为传感器
的开口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。

第二层是“分色滤色片”
传感器的第二层是“分色滤色片”，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYK补色分色法这两种方法各有优缺点。

首先，我们先了解一下两种分色法的概念，RGB即三原色分色法，几乎所有人类眼镜可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成，而RGB三个字母分别就是Red, Green 和Blue，这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色调节而成。

再说CMYK，这是由四个通道的颜色配合而成，他们分别是青（C）、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。

在印刷业中，CMYK更为适用，但其调节出来的颜色不及RGB的多。

原色传感器的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。

因此，大家可以注意，一般采用原色传感器的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400。

相对的，补色传感器多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，补色传感器可以容忍较高的感光度，一般都可设定在800以上
第三层：感光层
传感器的第三层是“感光片”，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。

传统的照相机胶卷尺寸为35mm，35mm为对角长度，35mm胶卷的感光面积为36 x 24mm。

换算到数码相机，对角长度约接近35mm的，CCD/CMOS尺寸越大。

在单反数码相机中，很多都拥有接近35mm的CCD/CMOS尺寸，例如尼康德D100，CCD/CMOS尺寸面积达到23.7 x 15.6，比起消费级数码相机要大很多，而佳能的EOS-1Ds的CMOS尺寸为36 x 24mm，达到了35mm的面积，所以成像也相对较好。

现在市面上的消费级数码相机主要有2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2
英寸四种。

传感器/CMOS尺寸越大，感光面积越大，成像效果越好。

1/1.8英寸的300万像素相机效果通常好于1/2.7英寸的400万像素相机(后者的感光面积只有前者的55%)。

而相同尺寸的传感器/CMOS像素增加固然是件好事，但这也会导致单个像素的感光面积缩小，有曝光不足的可能。

但如果在增加传感器/CMOS 像素的同时想维持现有的图像质量，就必须在至少维持单个像素面积不减小的基础上增大CCD/CMOS的总面积。

目前更大尺寸CCD/CMOS加工制造比较困难，成本也非常高。

因此，CCDCMOS尺寸较大的数码相机，价格也较高。

感光器件的大小直接影响数码相机的体积重量。

超薄、超轻的数码相机一般CCD/CMOS 尺寸也小，而越专业的数码相机，CCD/CMOS尺寸也越大。