圖像傳感器CCD與CMOS的工作原理

數碼成像系統(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成，后者由金屬氧化物器件構成。兩者都是光電二極管結構感受入射光并轉換為電信號，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(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，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。

圖2-1  CMOS 圖象傳感器結構分解

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(tǒng)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(tǒng)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。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。

圖2-2  CCD傳感器與CMOS傳感器的結構差異