CCD、CMOS传感器基本工作原理
图 1
CCD传感器基本工作原理是,光照射每个像素产生电荷,并累积。由于CCD只有一个读出端口,因此需要串行的将每个像素的电荷在像素之间进行转移到输出端口。最终将电荷转换为电压,进行放大和AD转换得到图像。电荷转移示意图如下
图 2
图 3
CMOS传感器则不同,CMOS传感器在每个像素处即将电荷转换为了电压,因而导致了很多独特的优缺点,如今已经在绝大多数应用中代替了CCD。第一代CMOS传感器技术为PPS(passive pixelssensor),第二代为APS(active pixels sensor)。基本原理如下,一个典型的APS电路如图4-6所示。根据我的理解,CMOS实现电荷转电压的关键在相应的寄生电容,因为光电二极管是受光照产生电流,而不是电压。首先,产生RST复位信号,寄生电容Cd充电至VDD,接着曝光开始,RST关闭。如图7所示,受到光照后,光电二极管产生电流,对电容进行放电。由于放电电流正比于光强,因此放电失去电荷正比于光强x曝光时间。由于电容Q=C*V, 即V=Q/C,电容上的电压正比于里面储存的电荷大小,因此曝光完毕,RS信号使能,读出电容上的电压即可得到光强信息(这里光强越强,曝光越长,采集到的电压越低,看似与常规感受到的图像越亮相反,但只需要后期电路稍微处理下即可,比如用复位电压减去采样电压(简单的相关双采样CDS技术,可以大大降低CMOS的FPN))。
图 4
图 5
图 6
图 7
CCD与CMOS的比较
图 8
图9
图10
主要参考文献
Review of CMOS image sensors,M. Bigas
CCD and CMOS Image Sensor,
Advantage of the CMOS Sensor,sony
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