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(gè)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(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(gè)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)?偸歉哂谕瑫r(shí)期的CMOS傳感器。
每個(gè)感光元件對應(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(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、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(gè)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(gè)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(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(gè)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(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。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
添加日期:2009-11-24
|