CMOS/CCD圖像傳感器工作原理

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 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後能夠產生輸出電流,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的感光元件並不相同,前者的感光元件除了感光二極管之外,包括一個用於控制相鄰電荷的存儲單元,感光二極管佔據了絕大多數面積—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,除處於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,而感光二極管佔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於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於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 傳感器只能用於低端場合的一大原因。

        CMOS開口率低造成的另一個麻煩在於,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的像素規模總是高於同時期的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,由於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。 

        在接受光照之後,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後再輸出給第三個感光元件,依次類推,直到結合最後一個感光元件的信號才能形成統一的輸出。由於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,經放大器處理之後,每個像點的電信號強度都獲得同樣幅度的增大;但由於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。

        而對於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後,電信號首先被該感光元件中的放大器放大,然後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,所得數字信號合並之後被直接送交DSP芯片處理—問題恰恰是發生在這裡,CMOS感光元件中的放大器屬於模擬器件,無法保證每個像點的放大率都保持嚴格一致,致使放大後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,品質明顯低於CCD傳感器。

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