CMOS/CCD圖像傳感器的工作原理

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2024-02-24 01:28:40 857

無論是CCD還是CMOS，它們都采用感光元件作為影像捕獲的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一個感光二極管（photodiode），該二極管在接受光線照射之后能夠產生輸出電流，而電流的強度則與光照的強度對應。但在周邊組成上，CCD的感光元件與CMOS的感光元件并不相同，前者的感光元件除了感光二極管之外，包括一個用于控制相鄰電荷的存儲單元，感光二極管占據了絕大多數面積—換一種說法就是，CCD感光元件中的有效感光面積較大，在同等條件下可接收到較強的光信號，對應的輸出電信號也更明晰。而CMOS感光元件的構成就比較復雜，除處于核心地位的感光二極管之外，它還包括放大器與模數轉換電路，每個像點的構成為一個感光二極管和三顆晶體管，而感光二極管占據的面積只是整個元件的一小部分，造成CMOS傳感器的開口率遠低于CCD（開口率：有效感光區域與整個感光元件的面積比值）；這樣在接受同等光照及元件大小相同的情況下，CMOS感光元件所能捕捉到的光信號就明顯小于CCD元件，靈敏度較低；體現在輸出結果上，就是CMOS傳感器捕捉到的圖像內容不如CCD傳感器來得豐富，圖像細節丟失情況嚴重且噪聲明顯，這也是早期CMOS傳感器只能用于低端場合的一大原因。CMOS開口率低造成的另一個麻煩在于，它的像素點密度無法做到媲美CCD的地步，因為隨著密度的提高，感光元件的比重面積將因此縮小，而CMOS開口率太低，有效感光區域小得可憐，圖像細節丟失情況會愈為嚴重。因此在傳感器尺寸相同的前提下，CCD的像素規模總是高于同時期的CMOS傳感器，這也是CMOS長期以來都未能進入主流數碼相機市場的重要原因之一。

每個感光元件對應圖像傳感器中的一個像點，由于感光元件只能感應光的強度，無法捕獲色彩信息，因此必須在感光元件上方覆蓋彩色濾光片。在這方面，不同的傳感器廠商有不同的解決方案，最常用的做法是覆蓋RGB紅綠藍三色濾光片，以1：2：1的構成由四個像點構成一個彩色像素（即紅藍濾光片分別覆蓋一個像點，剩下的兩個像點都覆蓋綠色濾光片），采取這種比例的原因是人眼對綠色較為敏感。而索尼的四色CCD技術則將其中的一個綠色濾光片換為翡翠綠色（英文Emerald，有些媒體稱為E通道），由此組成新的R、G、B、E四色方案。不管是哪一種技術方案，都要四個像點才能夠構成一個彩色像素，這一點大家務必要預先明確。

在接受光照之后，感光元件產生對應的電流，電流大小與光強對應，因此感光元件直接輸出的電信號是模擬的。在CCD傳感器中，每一個感光元件都不對此作進一步的處理，而是將它直接輸出到下一個感光元件的存儲單元，結合該元件生成的模擬信號后再輸出給第三個感光元件，依次類推，直到結合最后一個感光元件的信號才能形成統一的輸出。由于感光元件生成的電信號實在太微弱了，無法直接進行模數轉換工作，因此這些輸出數據必須做統一的放大處理—這項任務是由CCD傳感器中的放大器專門負責，經放大器處理之后，每個像點的電信號強度都獲得同樣幅度的增大；但由于CCD本身無法將模擬信號直接轉換為數字信號，因此還需要一個專門的模數轉換芯片進行處理，最終以二進制數字圖像矩陣的形式輸出給專門的DSP處理芯片。而對于CMOS傳感器，上述工作流程就完全不適用了。CMOS傳感器中每一個感光元件都直接整合了放大器和模數轉換邏輯，當感光二極管接受光照、產生模擬的電信號之后，電信號首先被該感光元件中的放大器放大，然后直接轉換成對應的數字信號。換句話說，在CMOS傳感器中，每一個感光元件都可產生最終的數字輸出，所得數字信號合并之后被直接送交DSP芯片處理—問題恰恰是發生在這里，CMOS感光元件中的放大器屬于模擬器件，無法保證每個像點的放大率都保持嚴格一致，致使放大后的圖像數據無法代表拍攝物體的原貌—體現在最終的輸出結果上，就是圖像中出現大量的噪聲，品質明顯低于CCD傳感器。

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