我們都知道有兩種半導體圖像傳感器器件：CMOS Sensor和CCD Sensor，在目前的消費電子領域普遍使用的都是CMOS圖像傳感器，因此本節只介紹CMOS圖像傳感器的基礎知識。
文章目錄
1 CMOS Sensor構造
2 Camera Sensor平面構造圖
3 光子與量子效率
4 Camera Sensor感光過程
5 Camera Sensor讀取感光結果
6 Camera Sensor動態範圍
7 Camera Sensor時序
8 Camera Sensor Noise
CMOS Sensor構造手機上的CMOS圖像傳感器構造如下
是一個類似棧一樣垂直排列的一組器件
最上面是鏡頭（物鏡）
鏡頭下面是IR Filter，用於濾除紅外線
IR Filter下面是很多微小的Lens組成的陣列
ColorFilter：入射光線通過RGB的ColorFilter分成R、G、B的光線
R、G、B光線投射在Sensor Array上面，這裡的Sensor Array就是Bayer Sensor Array
最下面是PCB電路板
Camera Sensor平面構造圖下面中是Camera Sensor的平面構造圖，整個灰色部分是PCB：
中間藍色是最核心的部分：Active Pixels
上面灰色部分：光遮斷黑電平（Optical Black）
下面灰色部分：Dummy Border
左邊部分：電源管理模塊（Power Management）
右邊部分：Control/Processing/Memory
最下面綠色部分：讀出電路（Readout）
每一個有效的像素都是下圖這樣的結構：
I_ph是由於光子激發產生的光電流，光電流在CMOS電容器上累積成電荷，形成充電的動作，這就將電流變成了電壓輸出出去。
光子與量子效率自然界中有不同波段、不同頻率的光線，我們簡單地分成RGB三種不同頻率的光線，這三種光線由於頻率的不同，每個光子所載有的能量是不同的。
下圖是以藍色光為例，它載有的能量是4.41E-19焦耳能量
與量子效率QE有關的概念QE是衡量某個顏色通道上，在某個頻率/波長的光子轉換成電子的效率。如下圖所示，是RGB三個顏色通道在不同波長上QE的變化情況
IR Cutter
Crosstalk
–
理想情況下，RGB三個顏色通道QE響應就像上面這個圖，它們能夠完全地分開，這樣經過Color Filter後，每一個Pixel只感應對應顏色的光。但現實情況，無法做到完全的分開，比如對於B通道的Pixel除了感受到Blue的光以外，還感受到了G和R的光。
一個像素不能夠只感受一個顏色通道的光的情況就叫Crosstalk，Crosstalk越小越好，理想情況下是0
CCM（Color Correction Matrix）圖像處理模塊的目的就是從數學上將像素間感受到的光分開
Crosstalk也會帶來噪聲
Sensitivity 感光度 = QE * Pixel_Size
Camera Sensor感光過程Camera Sensor感光過程分為三步：充電、感光、放電，整個過程完成光子到電壓的轉換。
充電
第一步是對光電二極體充電，給二極體加反向電壓的時候，就是相當於給二極體充電
感光
第二步感光，當有光子進來的時候，光電二極體就會發生光電效應，外來的電子激發額外的電子空穴對
放電
第三步放電，額外的電子空穴對於原來的電子空穴對融合的過程對於二極體來說是放電過程，對於電容來說是充電過程。
Camera Sensor讀取感光結果Camera Sensor感光實現了E到V的過程，然後經過模擬放大器，再經過AD（模數）轉換器，得到數位訊號，如下圖所示：
從時間軸上來看，先是Reset充滿電，然後曝光（感光）一段時間，然後通過讀取電路將模擬信號讀取出來。總的操作時間Total_time = reset_time + exposure_time + readout_time，如下圖所示：
Camera Sensor動態範圍1. Full well Capacity
2. Dark Current
3. Fill Factor
動態範圍Dynamic Range = Saturation / Black Level，Saturation是由Full Well Capacity決定，Black Level是由Dark Current決定。
Camera Sensor時序Sensor控制電路裡面的基本時序
Camera Sensor NoiseCamera sensor中的Noise分為時域噪聲和空域噪聲，時域噪聲是隨時間變化的，空域噪聲是指在空間上固定分布的一種噪聲。
時域噪聲
KTC Noise（readout）
PhotonShot Noise
DarkCurrent Noise
Power Noise
空域噪聲
Defect Pixel
Row / Column Noise
PRNU
DSNU
深圳上班，
生活簡簡單單，
14年開始從事Android Camera相關軟體開發工作，
做過車載、手機、執法記錄儀.
公眾號記錄生活和工作的點滴，
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覺得不錯，點個在看唄~