CMOS/CCD图像传感器工作原理解析

无论是CCD还是CMOS，它们都采用传感器作为捕捉图像的基本手段，CCD/CMOS传感器的核心是照相二极管（光电二极管），二极管在接受光后可以产生输出电流，同时电流的强度和光的强度。但是在外围的CCD传感器和CMOS传感器不一样，前者的传感器，除了光敏二极管包括一个用于控制相邻电荷的存储单元外，光敏二极管占据了大部分面积——换句话说，CCD传感器的有效感光面积较大，在相同条件下可以接收到强光信号，

相应的输出信号更清晰。

而且CMOS传感器的结构比较复杂，除了在光敏二极管的核心位置外，还包括放大器和模转换电路，将每个像点组成一个感光二极管和三个晶体管，而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分，

导致CMOS传感器的开度率远低于CCD（开孔率：有效光敏面积与传感器面积之比）。

在这种情况下，CMOS传感器可以捕获的光信号明显小于CCD元件，灵敏度较低。在输出端反射时，CMOS传感器捕捉的图像内容比CCD传感器更丰富，丢失了一些图像细节和明显的噪点，这是早期CMOS传感器只能使用低的地方的一个很大原因。

CMOS开孔率低造成的另一个麻烦是它无法与CCD像素密度相提并论，因为随着密度的增加，传感器区域的比例会变窄，而CMOS开口率过低，一个微小的有效感光区域，会丢失一些图像细节是严重的。因此在传感器尺寸相同的前提下，CCD的像素尺寸始终高于同期的CMOS传感器，这也是CMOS长期未能进入主流数码相机市场的重要原因之一。

每个传感器都有一个图像传感器的图像点，因为传感器只能感知光线的强度，无法捕捉到颜色信息，所以必须覆盖在传感器上的滤色片。对此，不同的传感器厂家有不同的解决方案，最常见的方式是覆盖RGB，红、绿、蓝滤光片在1：2：1的组成下由四个点组成一个彩色像素（即红色和蓝色滤光片分别覆盖一个图像点，其余两个图像点覆盖绿色滤光片），取这个比例是人眼对绿色非常敏感的原因。而索尼的四色CCD技术将其中的绿滤光片中的翡翠绿（翡翠英文，一些媒体称为E通道），从而形成新的R、G、B、E四种配色方案。无论采用哪种技术，重要的是要提前明确构成彩色像素的四个像素。

光敏元件接收到光后产生相应的电流，电流大小对应于光强度，因此模拟光敏元件的直接输出。在CCD传感器中，

每个传感器无需进一步处理，而是将其直接输出到下一个传感器，存储单元的传感器结合元件产生的模拟信号再输出到第三个传感器，依此类推，直到与最后一个传感器信号组合形成统一的输出。由于传感器产生的电信号太弱，不能直接进行模数转换工作，所以输出数据在放大处理时必须统一——这个任务是由CCD传感器完成的，放大器对放大器进行处理后，每个图像点的幅值信号强度也都增加了;但由于CCD本身不能将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需要专门的模数转换芯片进行处理，最终输出以二进制数字图像矩阵的形式提供给专用DSP芯片。

对于CMOS传感器，上述工作流程完全不适用。每个传感器的CMOS传感器直接集成放大器和模数转换逻辑，当光敏二极管发光时，产生模拟信号，信号首先被放大器放大到传感器上，然后直接转换成相应的数字信号。换言之，在CMOS传感器中，每个传感器都能产生最终的数字输出，合并后的数字信号直接由DSP芯片处理——问题正在发生，属于CMOS传感器放大器的模拟器，无法保证每个放大点都保持严格，放大后的图像数据不能代表物体拍摄的外观——体现在最终输出结果中，

在噪声很大的情况下，图像质量明显低于CCD传感器。