CMOS/CCD圖像傳感器工作原理解析

無論是CCD還是CMOS，它們都采用傳感器作為捕捉圖像的基本手段，CCD/CMOS傳感器的核心是照相二極管（光電二極管），二極管在接受光后可以產(chǎn)生輸出電流，同時電流的強度和光的強度。但是在外圍的CCD傳感器和CMOS傳感器不一樣，前者的傳感器，除了光敏二極管包括一個用于控制相鄰電荷的存儲單元外，光敏二極管占據(jù)了大部分面積——換句話說，CCD傳感器的有效感光面積較大，在相同條件下可以接收到強光信號，

相應的輸出信號更清晰。

而且CMOS傳感器的結構比較復雜，除了在光敏二極管的核心位置外，還包括放大器和模轉(zhuǎn)換電路，將每個像點組成一個感光二極管和三個晶體管，而感光二極管占據(jù)的面積只是整個元件的一小部分，

導致CMOS傳感器的開度率遠低于CCD（開孔率：有效光敏面積與傳感器面積之比）。

在這種情況下，CMOS傳感器可以捕獲的光信號明顯小于CCD元件，靈敏度較低。在輸出端反射時，CMOS傳感器捕捉的圖像內(nèi)容比CCD傳感器更豐富，丟失了一些圖像細節(jié)和明顯的噪點，這是早期CMOS傳感器只能使用低的地方的一個很大原因。

CMOS開孔率低造成的另一個麻煩是它無法與CCD像素密度相提并論，因為隨著密度的增加，傳感器區(qū)域的比例會變窄，而CMOS開口率過低，一個微小的有效感光區(qū)域，會丟失一些圖像細節(jié)是嚴重的。因此在傳感器尺寸相同的前提下，CCD的像素尺寸始終高于同期的CMOS傳感器，這也是CMOS長期未能進入主流數(shù)碼相機市場的重要原因之一。

每個傳感器都有一個圖像傳感器的圖像點，因為傳感器只能感知光線的強度，無法捕捉到顏色信息，所以必須覆蓋在傳感器上的濾色片。對此，不同的傳感器廠家有不同的解決方案，最常見的方式是覆蓋RGB，紅、綠、藍濾光片在1：2：1的組成下由四個點組成一個彩色像素（即紅色和藍色濾光片分別覆蓋一個圖像點，其余兩個圖像點覆蓋綠色濾光片），取這個比例是人眼對綠色非常敏感的原因。而索尼的四色CCD技術將其中的綠濾光片中的翡翠綠（翡翠英文，一些媒體稱為E通道），從而形成新的R、G、B、E四種配色方案。無論采用哪種技術，重要的是要提前明確構成彩色像素的四個像素。

光敏元件接收到光后產(chǎn)生相應的電流，電流大小對應于光強度，因此模擬光敏元件的直接輸出。在CCD傳感器中，

每個傳感器無需進一步處理，而是將其直接輸出到下一個傳感器，存儲單元的傳感器結合元件產(chǎn)生的模擬信號再輸出到第三個傳感器，依此類推，直到與最后一個傳感器信號組合形成統(tǒng)一的輸出。由于傳感器產(chǎn)生的電信號太弱，不能直接進行模數(shù)轉(zhuǎn)換工作，所以輸出數(shù)據(jù)在放大處理時必須統(tǒng)一——這個任務是由CCD傳感器完成的，放大器對放大器進行處理后，每個圖像點的幅值信號強度也都增加了;但由于CCD本身不能將模擬信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，因此還需要專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行處理，最終輸出以二進制數(shù)字圖像矩陣的形式提供給專用DSP芯片。

對于CMOS傳感器，上述工作流程完全不適用。每個傳感器的CMOS傳感器直接集成放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換邏輯，當光敏二極管發(fā)光時，產(chǎn)生模擬信號，信號首先被放大器放大到傳感器上，然后直接轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字信號。換言之，在CMOS傳感器中，每個傳感器都能產(chǎn)生最終的數(shù)字輸出，合并后的數(shù)字信號直接由DSP芯片處理——問題正在發(fā)生，屬于CMOS傳感器放大器的模擬器，無法保證每個放大點都保持嚴格，放大后的圖像數(shù)據(jù)不能代表物體拍攝的外觀——體現(xiàn)在最終輸出結果中，

在噪聲很大的情況下，圖像質(zhì)量明顯低于CCD傳感器。