圖像傳感器CCD與CMOS的工作原理

數(shù)碼成像系統(tǒng)的核心部件是CCD和CMOS圖像傳感器，前者由光電耦合器件構(gòu)成，后者由金屬氧化物器件構(gòu)成。兩者都是光電二極管結(jié)構(gòu)感受入射光并轉(zhuǎn)換為電信號，主要區(qū)別在于讀出信號所用的方法。CCD的感光元件除了感光二極管之外，還包括一個用于控制相鄰電荷的存儲單元， 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(qiáng)的光信號，對應(yīng)的輸出電信號也更明晰。而CMOS感光元件的構(gòu)成就比較復(fù)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(shù)轉(zhuǎn)換電路，每個像點(diǎn)的構(gòu)成為一個感光二極管和三顆晶體管，而感光二極管占據(jù)的面積只是整個元件的一小部分，造成CMOS傳感器的開口率遠(yuǎn)低于CCD（開口率：有效感光區(qū)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(xiàn)在輸出結(jié)果上，就是CMOS傳感器捕捉到的圖像內(nèi)容不如CCD傳感器來得豐富，噪聲較明顯，這也是早期CMOS傳感器只能用于低端場合的一大原因[10]。CMOS開口率低造成的另一個麻煩在于，它的像素點(diǎn)密度無法做到媲美CCD的地步， 因此在傳感器尺寸相同的前提下，CCD的像素規(guī)模總是高于同時期的CMOS傳感器。

每個感光元件對應(yīng)圖像傳感器中的一個像點(diǎn)，由于感光元件只能感應(yīng)光的強(qiáng)度，無法捕獲色彩信息，因此彩色CCD/CMOS圖像傳感器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(lán)三色濾光片，以1：2：1的構(gòu)成由四個像點(diǎn)構(gòu)成一個彩色像素（即紅藍(lán)濾光片分別覆蓋一個像點(diǎn)，剩下的兩個像點(diǎn)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(shù)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。

圖2-1  CMOS 圖象傳感器結(jié)構(gòu)分解

在接受光照之后，感光元件產(chǎn)生對應(yīng)的電流，電流大小與光強(qiáng)對應(yīng)，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(jìn)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(jié)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(jié)合最后一個感光元件的信號才能形成統(tǒng)一的輸出。由于感光元件生成的電信號實(shí)在太微弱了，無法直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換工作，因此這些輸出數(shù)據(jù)必須做統(tǒng)一的放大處理—這項(xiàng)任務(wù)是由CCD傳感器中的放大器專門負(fù)責(zé)，經(jīng)放大器處理之后，每個像點(diǎn)的電信號強(qiáng)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號，因此還需要一個專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理，最終以二進(jìn)制數(shù)字圖像矩陣的形式輸出給專門的DSP處理芯片。CMOS傳感器中每一個感光元件都直接整合了放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換邏輯，當(dāng)感光二極管接受光照、產(chǎn)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(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信號。

圖2-2  CCD傳感器與CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)差異