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CMOS/CCD圖像傳感器的工作原理

發(fā)布時(shí)間:2024-02-24作者來(lái)源:薩科微瀏覽:1583


無(wú)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(gè)感光二極管(photodiode),該二極管在接受光線照射之后能夠產(chǎn)生輸出電流,而電流的強(qiáng)度則與光照的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)。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(gè)用于控制相鄰電荷的存儲(chǔ)單元,感光二極管占據(jù)了絕大多數(shù)面積換一種說(shuō)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(qiáng)的光信號(hào),對(duì)應(yīng)的輸出電信號(hào)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(gè)像點(diǎn)的構(gòu)成為一個(gè)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(gè)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(gè)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(hào)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(lái)得豐富,圖像細(xì)節(jié)丟失情況嚴(yán)重且噪聲明顯,這也是早期CMOS傳感器只能用于低端場(chǎng)合的一大原因。CMOS開口率低造成的另一個(gè)麻煩在于,它的像素點(diǎn)密度無(wú)法做到媲美CCD的地步,因?yàn)殡S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(qū)域小得可憐,圖像細(xì)節(jié)丟失情況會(huì)愈為嚴(yán)重。因此在傳感器尺寸相同的前提下,CCD的像素規(guī)??偸歉哂谕瑫r(shí)期的CMOS傳感器,這也是CMOS長(zhǎng)期以來(lái)都未能進(jìn)入主流數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)的重要原因之一。

每個(gè)感光元件對(duì)應(yīng)圖像傳感器中的一個(gè)像點(diǎn),由于感光元件只能感應(yīng)光的強(qiáng)度,無(wú)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(lán)三色濾光片,以121的構(gòu)成由四個(gè)像點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)彩色像素(即紅藍(lán)濾光片分別覆蓋一個(gè)像點(diǎn),剩下的兩個(gè)像點(diǎn)都覆蓋綠色濾光片),采取這種比例的原因是人眼對(duì)綠色較為敏感。而索尼的四色CCD技術(shù)則將其中的一個(gè)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、GB、E四色方案。不管是哪一種技術(shù)方案,都要四個(gè)像點(diǎn)才能夠構(gòu)成一個(gè)彩色像素,這一點(diǎn)大家務(wù)必要預(yù)先明確。

在接受光照之后,感光元件產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電流,電流大小與光強(qiáng)對(duì)應(yīng),因此感光元件直接輸出的電信號(hào)是模擬的。在CCD傳感器中,每一個(gè)感光元件都不對(duì)此作進(jìn)一步的處理,而是將它直接輸出到下一個(gè)感光元件的存儲(chǔ)單元,結(jié)合該元件生成的模擬信號(hào)后再輸出給第三個(gè)感光元件,依次類推,直到結(jié)合最后一個(gè)感光元件的信號(hào)才能形成統(tǒng)一的輸出。由于感光元件生成的電信號(hào)實(shí)在太微弱了,無(wú)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(gè)像點(diǎn)的電信號(hào)強(qiáng)度都獲得同樣幅度的增大;但由于CCD本身無(wú)法將模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),因此還需要一個(gè)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。而對(duì)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(gè)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(hào)之后,電信號(hào)首先被該感光元件中的放大器放大,然后直接轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。換句話說(shuō),在CMOS傳感器中,每一個(gè)感光元件都可產(chǎn)生最終的數(shù)字輸出,所得數(shù)字信號(hào)合并之后被直接送交DSP芯片處理問(wèn)題恰恰是發(fā)生在這里,CMOS感光元件中的放大器屬于模擬器件,無(wú)法保證每個(gè)像點(diǎn)的放大率都保持嚴(yán)格一致,致使放大后的圖像數(shù)據(jù)無(wú)法代表拍攝物體的原貌體現(xiàn)在最終的輸出結(jié)果上,就是圖像中出現(xiàn)大量的噪聲,品質(zhì)明顯低于CCD傳感器。

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