【導(dǎo)讀】目前，大概有95%的數(shù)碼相機使用的是CMOS圖像傳感器，只有很小一部分在用CCD。從傳感器輸出的角度來看，CMOS和CCD傳感器的主要區(qū)別在于，CMOS傳感器中的每個像素在光敏區(qū)旁邊都有自己的讀出電路。在CCD中，在施加于柵極結(jié)構(gòu)的電壓影響下，以單個像素收集的電荷隨后沿著傳輸通道移動以讀出。
目前，大概有95%的數(shù)碼相機使用的是CMOS圖像傳感器，只有很小一部分在用CCD。從傳感器輸出的角度來看，CMOS和CCD傳感器的主要區(qū)別在于，CMOS傳感器中的每個像素在光敏區(qū)旁邊都有自己的讀出電路。在CCD中，在施加于柵極結(jié)構(gòu)的電壓影響下，以單個像素收集的電荷隨后沿著傳輸通道移動以讀出。
要理解圖像傳感器測量，就得了解傳感器技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)。此外，值得注意的一點是，對內(nèi)置在移動電話等終端設(shè)備中的圖像傳感器進行測量的機會非常有限。這是因為沒有直接訪問傳感器輸出。測量通常在傳感器芯片上進行。
我們快速回顧一下IC的一些基礎(chǔ)知識。
切開CCD，會發(fā)現(xiàn)CCD的結(jié)構(gòu)就像三明治一樣，第一層是微型鏡頭，第二層是分色濾色片，以及第三層感光匯流片。
第一層鏡頭。這是為了有效提升CCD的像素，又要確保單一像素持續(xù)縮小以維持CCD的標準體積。
第二層分色濾色片，目前有兩種分色方式，一是RGB原色分色法，另一個則是CMYG補色分色法，這兩種方法各有利弊。
第三層感光匯流片，這層主要是負責(zé)將穿透濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號，并將信號傳送到影像處理芯片，將影像還原。
CCD傳感器基本工作原理，光照射每個像素產(chǎn)生電荷并累積。由于CCD只有一個讀出端口，因此需要串行的將每個像素的電荷在像素之間進行轉(zhuǎn)移到輸出端口。最終將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，進行放大和AD轉(zhuǎn)換得到圖像。
CCD結(jié)構(gòu)reCCD芯片包含大量的二維排列的光敏(像素)元素。當(dāng)偏壓正確時，元件會捕獲并保持光子誘導(dǎo)的載流子。CCD的基本光敏單元是一個金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器，它作為光電二極管和載流子存儲設(shè)備工作。反向偏壓導(dǎo)致帶負電荷的電子遷移到帶正電荷的柵電極下面的區(qū)域。被光子相互作用釋放的電子被儲存在耗竭區(qū)，達到所謂的全井儲層容量。
在一個完整的CCD中，陣列中的單個傳感元件被施加在表面電極上的電壓隔離在一個維度內(nèi)。它們也通過硅襯底內(nèi)的絕緣屏障或通道停止，在另一個方向上與相鄰的元素隔離。
CCD的高敏感光電二極管元件通過吸收大部分能量來響應(yīng)入射光子，從而釋放電子。這一過程會在硅晶格中形成缺電子點(空穴)，每個吸收的光子都會產(chǎn)生一個電子-空穴對。在每個像素中累積的電荷與入射光子的數(shù)量成線性比例。
施加在每個像素電極上的外部電壓控制累積電荷的存儲和移動。雖然負電荷的電子或正電荷的洞可以積累(取決于CCD設(shè)計)，由入射光產(chǎn)生的電荷通常被稱為光電子。
CCD的成像過程通常分為四個階段:
光電轉(zhuǎn)換——電荷儲存——電荷轉(zhuǎn)移——電荷檢測。光電轉(zhuǎn)換就是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，CCD內(nèi)部是由許多的光敏像素組成的，每像素就是一個光敏二極管，檢測像素上產(chǎn)生的電荷，產(chǎn)生的信號電荷的數(shù)量直接與入射光的強度及曝光時間成正比。
CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，電流信號經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點是：
1.體積小重量輕;
2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動，性能穩(wěn)定，壽命長;
3.靈敏度高，噪聲低，動態(tài)范圍大;
4.響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像。
CCD中每個感測元件存儲的電荷通過電荷轉(zhuǎn)移過程轉(zhuǎn)移到一個讀出節(jié)點。通過控制電容器門上的電壓，使電荷從一個電容器溢出到下一個電容器，或從一排電容器溢出到下一排電容器，電荷就可以在設(shè)備之間移動。因為CCD是一個串行設(shè)備，所以每次讀取一個電荷包。
并行和串行傳輸?shù)慕M合將每個傳感器元件的電荷包按順序傳送到單個測量節(jié)點。CCD電極(柵)網(wǎng)絡(luò)形成電荷轉(zhuǎn)移的移位寄存器。整個并行寄存器的電荷耦合移位將最接近寄存器邊緣的像素電荷行移動到沿著芯片的一個邊緣的專門的單行像素，稱為串行寄存器。從這一行電荷包依次移動到片上放大器進行測量。一旦清空，串行寄存器就會被另一個并行寄存器的行移位重新填充，循環(huán)重復(fù)。
所以，對近乎完美的電荷轉(zhuǎn)移的需求，造成了CCD圖像傳感器的制造復(fù)雜化。
CMOS傳感器剛好避免了這個問題。最簡單的CMOS成像儀使用沒有放大的像素，每個像素由一個光電二極管和一個MOSFET開關(guān)組成。CMOS傳感器在每個像素處即將電荷轉(zhuǎn)換為了電壓，因而導(dǎo)致了很多獨特的優(yōu)缺點，如今已經(jīng)在絕大多數(shù)應(yīng)用中代替了CCD。第一代CMOS傳感器技術(shù)為PPS（passive pixelssensor）,第二代為APS（active pixels sensor）。APS每個像素包含一個或多個MOSFET放大器，將光產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓，放大信號電壓，并減少噪聲。CMOS傳感器還使用一種特殊的光電探測器，稱為pin型光電二極管，這種光電二極管對低延遲、低噪聲、高量子效率和低暗電流進行了優(yōu)化。
今天的標準CMOS APS像素包括一個光電探測器(pin型光電二極管)，一個浮動擴散，以及由四個CMOS晶體管組成的所謂的4T電池，一個轉(zhuǎn)移門、復(fù)位門、選擇門和一個源跟隨讀出晶體管。固定的光電二極管允許電荷完全轉(zhuǎn)移到浮動擴散(進一步連接到讀出晶體管的柵極)，消除了延遲。
CMOS和CCD傳感的一個很大的區(qū)別是，每個CMOS傳感器像素都有自己的讀出電路，它位于光敏區(qū)旁。CMOS圖像傳感器足夠便宜，可以用于智能手機，而且比CCD傳感器消耗更少的電能。它們還允許像素級的圖像處理，用于感興趣的區(qū)域、分類、過濾等。但是CMOS傳感器往往表現(xiàn)出較低的動態(tài)范圍，更多的讀取噪聲和更不均勻的空間響應(yīng)。由于這些原因，測量傳感器的特性必不可少。
這里介紹一個簡單的傳感器測量技術(shù)，使用一個小的積分球(基本上是一個空心球腔，內(nèi)部覆蓋著一層漫射的白色反射涂層)，由一個白色LED，一個標準的校準光電二極管照明，其光譜響應(yīng)已知，以及一個發(fā)射窄波段可選光波長的小型單色器。
測量傳感器質(zhì)量的一種方法是從黑暗狀態(tài)下開始。在具有可設(shè)置積分時間(即光傳感器暴露于環(huán)境光的時間)的傳感器中，通常的方法是將積分時間保持在約1毫秒或更短的時間內(nèi)。然后測量暗輸出，通常在數(shù)據(jù)表上以ADU(模擬數(shù)字單元)的形式列出，ADU也曾被稱為最低有效位。這個讀數(shù)可以與數(shù)據(jù)表上列出的值相比較，數(shù)據(jù)表值通常在25°C。這一差異說明了為什么在低照度環(huán)境下使用的傳感器必須冷卻。
為了求出探測器的光譜響應(yīng)，我們使用了已知光譜響應(yīng)的單分子和光二極管。簡單回顧一下，單色儀傳輸由操作者選擇的可選的窄帶波長的光。通過使用校準的光電二極管可以測量傳感器的輻照度，即單位面積的輻射能落在傳感器上的功率。
傳感器芯片制造商會公布其設(shè)備的光譜響應(yīng)，通常以1 nJ/cm2輸入的輸出電平與波長(以納米為單位)的圖表表示。單色儀讀數(shù)可以與公布的水平進行比較，以驗證傳感器響應(yīng)。
在普通的Czerny-Turner 單色器中，一個寬帶照明光源(a)指向入口狹縫(B)。可用的光能數(shù)量取決于狹縫(寬×高)定義的空間中光源的強度和光學(xué)系統(tǒng)的接受角度。狹縫被放置在曲面鏡的有效聚焦處(準直器，C)，這樣從狹縫反射的光線就是平行的(無限聚焦)，通常被稱為準直光束。準直光束從光柵(D)中衍射出來，由另一個鏡子(E)收集，鏡子(E)將分散的光重新聚焦在出口狹縫(F)上。在棱鏡單色儀中，反射棱鏡代替衍射光柵，在這種情況下，光線被棱鏡折射。在出口狹縫處，不同顏色的光被擴散開來。由于每種顏色都到達出口狹縫平面上的一個單獨的點，所以在出射縫平面上有一系列的聚焦圖像。由于入口狹縫的寬度有限，附近圖像的部分重疊。離開出口狹縫(G)的光包含所選顏色的進口狹縫的整個圖像加上附近顏色的進口狹縫圖像的部分。由于色散元件的旋轉(zhuǎn)使得色帶相對于出口狹縫多少有些移動，因此所需的入口狹縫圖像就集中在出口狹縫上。離開出口狹縫的顏色范圍是狹縫寬度的函數(shù)。入口和出口的狹縫寬度是一起調(diào)整的。
最后總結(jié)一下CMOS vs CCD
“獨具慧眼”的量子圖像傳感器
最后，介紹一下一種全新圖像傳感器，量子圖像傳感器(QIS)。QIS通過計算光電子在空間和時間上的數(shù)量來計算圖像。QIS由映像點（jots）的特殊像素組成，而不是“像素(pixels)”，每個映像點(jots)都可以探測到單個光子。它們的全井容量(飽和前產(chǎn)生的載流子數(shù)量)只有幾個電子，而且它們不使用雪崩倍增。
QIS可能包含數(shù)億甚至數(shù)十億的jots，讀取速度可能達到每秒1000或更高，這意味著原始數(shù)據(jù)速率接近1 Tbit/sec。通過使用先進的降噪算法，良好的灰度圖像可以在平均每像素不到一個光子的極低光線下捕獲。
得益于QIS對單個光子敏感，所以它具有令人艷羨的‘視力’，可以在微弱的光線下看到物體。例如，圣誕樹上的一顆裝飾燈泡，每秒產(chǎn)生的光子數(shù)量就高達10^19個，由此可以想想一個光子有多暗淡!”
芯片測試表明，在室溫和60℃下，QIS芯片的暗電流都非常低。同時，研究人員還對高速單光子成像進行了測試，并展示了一百萬像素分辨率、1040 fps的讀出速度。未來，他們將使QIS芯片能夠以非?？斓乃俣葤呙钄?shù)億甚至數(shù)十億個映像點(jots)。
普通的CCD和CMOS圖像傳感器將接收到的光電電荷集成并進行數(shù)字化。它們的全井容量定義了動態(tài)范圍的上限，而讀噪定義了下限。在下限處的一個問題是，這些傳感器使用的光雪崩過程在微光下會引起問題，例如電荷增益的變化。此外，它們對硅缺陷也很敏感，導(dǎo)致高暗電荷載流子計數(shù)率，這限制了低光性能和制造良率。
另一方面，在QIS光子計數(shù)圖像傳感器中，圖像像素由一系列隨時間和在指定空間內(nèi)的jots計算而成。當(dāng)QIS一次拍攝一個光子時，它仍然可以通過特殊的多次高速曝光來實現(xiàn)高動態(tài)范圍(>120 dB)。
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