2. 图像传感器基础
图像传感器的本质，是把“光”变成“电”，再把“电”变成“数字”。理解这条链路，是后续讨论动态范围与暗电流控制的前提。本节从光电转换出发，逐步展开 CCD 与 CMOS 的结构差异、像素电路、曝光与读出机制，并给出常见性能指标，为第 3 章之后的噪声与暗电流分析建立物理直觉。
一、光电转换原理：从光子到电子
当光子进入硅衬底，若其能量大于硅的禁带宽度（约 1.12 eV，对应约 1100 nm 波长），就能激发价带电子跃迁到导带，产生一个电子—空穴对。在像素内部，通常通过 PN 结或 pinned photodiode 形成的耗尽区电场，把光生电子收集到势阱中，空穴则被排走。收集到的电子数 N_e 与入射光子数 N_ph 的关系可近似写为：
N_e = QE × N_ph
QE = 收集电子数 / 入射光子数
其中 QE 是量子效率，受材料吸收系数、抗反射层、微透镜和像素结构影响。电子被收集后，并不会立刻变成数字信号，而是先以电荷形式暂存在势阱中，等待后续转换为电压或电流。这个“电荷—电压—数字”的转换过程，正是 CCD 与 CMOS 分道扬镳的地方。
二、CCD 与 CMOS 结构差异
CCD（Charge-Coupled Device）与 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）最核心的区别，在于“电荷在哪里转移、在哪里转换”。CCD 把电荷在像素阵列中逐行逐列“搬运”到芯片边缘的公共输出放大器，再统一转换为电压；CMOS 则在每个像素内部就完成电荷到电压的转换，再通过列总线读出。
- CCD：电荷转移效率高、噪声低、填充因子大，但需要多相时钟驱动，功耗高，难以集成外围电路。
- CMOS：像素内集成源极跟随器，支持随机访问、低功耗、高集成度，但像素内晶体管占用面积，早期噪声较大。
- 工艺差异：CCD 通常需要专用高压工艺；CMOS 可与逻辑电路共工艺，便于做片上 ADC、时序控制和图像处理。
下图用信号链方式对比两者：CCD 是“电荷转移—公共转换”，CMOS 是“像素内转换—列总线读出”。
三、像素电路：3T 与 4T 结构
CMOS 像素电路常见有 3T 和 4T 两种。3T 像素由复位管、源极跟随器和行选管组成，结构简单，但复位噪声较大，且难以实现真正的相关双采样（CDS）。4T 像素在光电二极管与浮置扩散节点之间增加传输栅（TX），使电荷转移与复位分离，从而支持 CDS，显著降低复位噪声和暗电流中的部分成分。
| 结构 | 核心器件 | 优点 | 局限 |
|---|---|---|---|
| 3T 像素 | 复位管、源随器、行选管 | 面积小、工艺简单 | 复位噪声高，CDS 效果有限 |
| 4T 像素 | 传输栅、复位管、源随器、行选管 | 支持 CDS，噪声低，暗电流可控 | 时序复杂，像素面积略大 |
| 全局快门像素 | 增加存储节点与遮光结构 | 无运动畸变 | 面积大、暗电流路径多 |
四、曝光与读出机制
曝光决定“收集多少电荷”，读出决定“如何把电荷变成数字”。卷帘快门逐行曝光、逐行读出，成本低但高速运动物体会有倾斜；全局快门所有像素同时曝光，再统一转移，适合机器视觉与高速抓拍。读出过程通常包含复位、曝光、电荷转移、源随器缓冲、列 ADC 量化等步骤。
典型 4T CMOS 读出时序：
1. RST 拉高，复位浮置扩散节点 FD
2. 采样复位电平 V_reset
3. TX 拉高，光电二极管电荷转移至 FD
4. 采样信号电平 V_signal
5. CDS 计算 V_signal - V_reset
6. 列 ADC 量化并输出数字码
五、常见性能指标
- 量子效率 QE：入射光子转化为收集电子的比例，决定灵敏度上限。
- 满阱容量 FWC：像素势阱能容纳的最大电子数，决定动态范围上限。
- 读出噪声：读出链路引入的等效电子噪声，决定暗端极限。
- 暗电流：无光条件下热激发产生的电子，随温度升高近似每 8℃ 翻倍。
- 动态范围 DR：通常用
20log10(FWC / 读出噪声)估算，单位 dB。 - 转换增益：FD 节点每电子产生的电压变化，单位 μV/e⁻，影响读出噪声折算。
六、案例与误区复盘
假设某 4T CMOS 像素 FWC 为 8000 e⁻，读出噪声为 4 e⁻，则动态范围约为 20log10(8000/4) ≈ 66 dB。若把读出噪声降到 2 e⁻，动态范围可提升到约 72 dB；若同时把 FWC 提升到 16000 e⁻，则可达约 78 dB。这说明动态范围是“上限”和“下限”共同决定的。
理解光电转换、CCD/CMOS 结构差异、像素电路与读出机制，是后续分析暗电流来源、温度依赖和动态范围扩展方案的基础。只有把“电荷从哪里来、到哪里去、在哪里变成数字”这条链路理清，才能在噪声与暗电流控制中做出正确取舍。