一个简单的传感器测量技术，浅谈CMOS和CCD传感器的区别

很多朋友对一个简单的传感器测量技术，浅谈CMOS和CCD传感器的区别不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

目前95%左右的数码相机使用CMOS图像传感器，只有少部分使用CCD。从传感器输出的角度来看，CMOS和CCD传感器的主要区别在于，CMOS传感器中的每个像素在感光区旁边都有自己的读出电路。在CCD中，在施加到栅极结构的电压的影响下，由单个像素收集的电荷然后沿着传输通道移动以被读出。

要了解图像传感器测量，必须了解传感器技术的基本结构。此外，值得注意的是，对手机等终端设备内置的图像传感器进行测量的机会非常有限。这是因为无法直接访问传感器输出。测量通常在传感器芯片上进行。我们来快速复习一下ic的一些基础知识。当你切开CCD的时候，你会发现CCD的结构就像一个三明治。第一层是微透镜，第二层是二向色滤光片，第三层是光敏总线。

第一层透镜。这是为了有效提高CCD的像素，也是为了保证单个像素继续缩小以维持CCD的标准体积。目前第二层分色滤镜的分色方法有两种，一种是RGB原色分色法，一种是CMYG补色分色法。这两种方法各有利弊。第三层光敏总线，主要负责将透过彩色滤光层的光源转换成电信号，并将信号传输到图像处理芯片还原图像。

CCD传感器的基本工作原理是光照射每个像素产生电荷并积累。因为CCD只有一个读出端口，所以需要将每个像素的电荷串行传输到输出端口。最后电荷转换成电压，经过放大和AD转换得到图像。

CCD结构的ReCCD芯片包含大量二维排列的光敏(像素)元件。当偏压正确时，该器件将捕获并保留光子诱导的载流子。CCD的基本光敏单元是金属氧化物半导体(MOS)电容器，它作为光电二极管和载流子存储器件工作。反向偏压导致带负电的电子迁移到带正电的栅电极下面的区域。光子相互作用释放的电子存储在耗尽区，达到所谓的全阱库容量。

在完整的CCD中，阵列中的各个感测元件通过施加到表面电极的电压在一维上被隔离。它们还被硅衬底中的绝缘阻挡层或通道阻挡，并在另一个方向上与相邻元件隔离。

CCD的高灵敏度光电二极管元件通过吸收大部分能量来响应入射光子，从而释放电子。这个过程会在硅晶格中形成缺电子点(空穴)，每个吸收的光子会产生一个电子-空穴对。每个像素中累积的电荷与入射光子的数量成线性比例。

施加到每个像素电极的外部电压控制累积电荷的存储和移动。虽然带负电荷的电子或带正电荷的空穴可以积累(取决于CCD的设计)，但入射光产生的电荷通常被称为光电子。CCD的成像过程通常分为四个阶段：

光电转换——电荷存储——电荷转移——电荷检测。光电转换就是把光信号转换成电信号。CCD由许多光敏像素组成，每个像素是一个光电二极管，检测像素上产生的电荷。产生的信号电荷量与入射光的强度和曝光时间成正比。

CCD图像传感器可以直接将光信号转换成模拟电流信号，电流信号经过放大转换成模拟，从而实现图像的采集、存储、传输、处理和再现。其显著特点是：1。体积小，重量轻；2.功耗低，工作电压低，耐冲击振动，性能稳定，使用寿命长；3.高灵敏度、低噪声、大动态范围；4.响应快，自扫描功能，图像失真小，无残像。

CCD中每个传感元件存储的电荷通过电荷转移过程转移到读出节点。通过控制电容器栅极上的电压，电荷可以从一个电容器溢出到下一个电容器，或者从一行电容器溢出到下一行电容器，并且电荷可以在器件之间移动。因为CCD是串行设备，它一次读取一个电荷包。

并行和串行传输的组合将每个传感器元件的电荷包依次传输到单个测量节点。CCD电极(栅极)网络形成电荷转移的移位寄存器。整个并行寄存器的电荷耦合移位将最靠近寄存器边缘的像素电荷线移动到沿芯片一个边缘的特殊单行像素，称为串行寄存器。来自该行的电荷包依次移至片内放大器进行测量。

一旦清空，串行寄存器将被另一个并行寄存器的行移位重新填充，并且循环重复。

因此，对近乎完美的电荷转移的需求使得CCD图像传感器的制造变得复杂。

CMOS传感器正好避免了这个问题。最简单的CMOS成像器使用未经放大的像素，每个像素由一个光电二极管和一个MOSFET开关组成。CMOS传感器在每个像素将电荷转化为电压，这导致了许多独特的优点和缺点。现在它已经在大多数应用中取代了CCD。第一代CMOS传感器技术是PPS(无源像素传感器)，第二代是APS(有源像素传感器)。

APS的每个像素包含一个或多个MOSFET放大器，将光产生的电荷转换为电压，放大信号电压，降低噪声。CMOS传感器还使用一种称为pin光电二极管的特殊光电探测器，该光电探测器针对低延迟、低噪声、高量子效率和低暗电流进行了优化。

今天的标准CMOS APS像素包括光电探测器(pin光电二极管)、浮动扩散和所谓的4T电池，该电池由四个CMOS晶体管、传输门、复位门、选择门和源极跟随读出晶体管组成。固定光电二极管允许电荷完全转移到浮动扩散区(进一步连接到读出晶体管的栅极)，消除了延迟。

CMOS和CCD传感之间的一个很大的区别是，每个CMOS传感器像素都有自己的读出电路，它位于感光区旁边。CMOS图像传感器足够便宜，可以用在智能手机中，并且比CCD传感器消耗更少的功率。它们还允许对感兴趣的区域进行像素级图像处理、分类、过滤等。然而，CMOS传感器通常表现出较低的动态范围、更多的读取噪声和更不均匀的空间响应。由于这些原因，有必要测量传感器的特性。

本文介绍了一种简单的传感器测量技术，该技术使用一个小型积分球(基本上是一个覆盖有白色漫反射涂层的中空球形腔)，由一个白色LED、一个光谱响应已知的标准校准光电二极管和一个发射窄波段可选光波长的小型单色仪照明。

测量传感器质量的一种方法是在黑暗中开始。在具有可设置积分时间(即，光传感器暴露于环境光的时间)的传感器中，通常的方法是将积分时间保持在大约1毫秒或更短的时间内。然后测量暗输出，暗输出通常以ADU(模拟数字单位)的形式列在数据表上。ADU也被称为最低有效位。该读数可与数据手册上列出的值进行比较，后者通常为25c。

这种差异解释了为什么在低照度环境中使用的传感器必须冷却。

为了获得检测器的光谱响应，我们使用单个分子和光谱响应已知的光电二极管。简单回顾一下，单色仪发射由操作员选择的可选窄带波长的光。通过使用校准的光电二极管，可以测量传感器的辐照度，即落在传感器上的每单位面积的辐射能的功率。

传感器芯片制造商将公布其设备的光谱响应，通常以1 nJ/cm2输入的输出水平和波长(以纳米为单位)的图表来表示。单色仪读数可与公布的水平进行比较，以验证传感器响应。

在普通的车尔尼-特纳单色仪中，宽带照明光源(A)指向入口狭缝(B)。可用光能的数量取决于由狭缝(宽高)和光学系统的接收角所限定的空间中的光源强度。狭缝放置在曲面镜的有效焦点(准直器，C)，使狭缝反射的光平行(无限焦点)，通常称为准直光束。准直光束从光栅(D)衍射，并被另一个反射镜(E)收集，该反射镜将散射光重新聚焦在出射狭缝(F)上。

在棱镜单色仪中，反射棱镜代替了衍射光栅。在这种情况下，光被棱镜折射。在出口狭缝处，不同颜色的光被漫射。因为每种颜色到达出射狭缝平面上的单个点，所以在出射狭缝平面上有一系列聚焦的图像。由于入口狭缝的宽度有限，附近图像的部分重叠。离开出射狭缝(g)的光包含选定颜色的入射狭缝的整个图像加上附近颜色的入射狭缝图像的一部分。

因为色带由于色散元件的旋转而相对于出口狭缝稍微移动，所以所需的入口狭缝图像集中在出口狭缝上。离开出口狭缝的颜色范围是狭缝宽度的函数。入口和出口的狭缝宽度一起调节。

最后总结了CMOS vs CCD的量子图像传感器。最后，介绍了一种全新的图像传感器——量子图像传感器。QIS通过计算空间和时间中的光电子数量来计算图像。QIS由像点(jots)的特殊像素组成，而不是“像素”，每个像点(jots)可以探测单个光子。它们的全阱容量(饱和前产生的载流子数)只有几个电子，不使用雪崩倍增。

QIS可能包含数亿甚至数十亿个jot，读取速度可能达到每秒1000个甚至更高，这意味着原始数据速率接近1 Tbit/sec。通过使用先进的降噪算法，可以在极低的光线下捕捉到良好的灰度图像，平均每个像素不到一个光子。

由于它对单个光子的敏感性，QIS拥有令人羡慕的“视力”，可以在弱光下看到物体。比如圣诞树上的一个装饰灯泡，每秒钟产生的光子多达10 ^ 19个，你可以想想一个光子有多暗淡！"

芯片测试表明，在室温和60下，QIS芯片的暗电流很低。与此同时，研究人员还测试了高速单光子成像，并展示了一百万像素的分辨率和1040 fps的读取速度。未来，他们将使QIS芯片能够以非常快的速度扫描数亿甚至数十亿个图像点(jots)。

普通的CCD和CMOS图像传感器对接收到的光电电荷进行积分和数字化。它们的满井容量定义了动态范围的上限，而读取噪声定义了下限。下限的一个问题是，这些传感器使用的光学雪崩过程会在低光照水平下产生问题，比如电荷增益的变化。此外，它们还对硅缺陷敏感，导致高暗电荷载流子计数率，这限制了低光学性能和制造成品率。

另一方面，在QIS光子计数图像传感器中，图像像素是通过在特定空间中随时间推移的一系列jot来计算的。当QIS一次拍摄一个光子时，通过特殊的多次高速曝光，仍然可以达到高动态范围(120 dB)。hfy

以上知识分享希望能够帮助到大家！