3. 图像传感器原理

图像传感器是相机成像链路的第一环，它把镜头汇聚的光子转换为可被后续ISP处理的电信号。理解传感器，核心要抓住三件事：光电转换如何发生、电荷如何被读出、曝光与噪声如何共同决定画质。本节围绕CCD与CMOS的结构差异、光电转换物理过程、曝光控制机制、读出噪声来源以及关键参数展开。

一、CCD与CMOS的结构差异

CCD（电荷耦合器件）与CMOS（互补金属氧化物半导体）最本质的区别在于电荷的传输方式。CCD在曝光期间把每个像素产生的电荷逐行、逐列地“接力”搬运到一个统一的输出放大器，整片传感器通常只有一到几个读出节点，因此像素一致性极好、噪声低、填充因子高。代价是功耗大、需要多路时钟驱动、难以集成外围电路，且高速读出时容易产生拖影。

CMOS则把电荷-电压转换和放大电路做进每个像素内部，每个像素或每列都带有自己的源极跟随器和选择开关，可以像内存一样按行、按列随机寻址读出。这让CMOS具备低功耗、高集成度、高帧率、可开窗读出等优势，也便于把ADC、时序控制甚至部分ISP功能集成到同一芯片。早期CMOS因像素内晶体管占用面积导致噪声和灵敏度不如CCD，但随着背照式（BSI）、堆栈式（Stacked）和像素内深沟槽隔离（DTI）等工艺成熟，CMOS已成为绝对主流。

二、光电转换的物理过程

无论CCD还是CMOS，像素的核心都是光电二极管（Photodiode, PD）。当光子进入硅材料且能量大于硅的禁带宽度（约1.12 eV，对应波长约1100 nm）时，会激发电子从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。在PN结内建电场的作用下，电子被收集到势阱中，空穴被排走，从而把光强转化为电荷量。

这一过程有三个关键量化关系：

• 量子效率（QE）：入射光子转化为电子的比例，受材料、波长、表面反射和像素结构影响。
• 满阱容量（FWC）：单个像素能容纳的最大电子数，决定动态范围上限。
• 转换增益（CG）：每个电子转换为多少微伏电压，CG = q / C，其中C为浮动扩散节点电容。

曝光结束后，电荷被转移到浮动扩散节点（FD），转换为电压，再经源极跟随器缓冲输出。CMOS的读出是“电荷→电压→数字”的链式过程，而CCD是“电荷→电荷→电压→数字”，这是两者噪声特性差异的根源。

三、曝光控制机制

曝光控制决定“收集多少光”。在CMOS中，主流方式是卷帘快门（Rolling Shutter）：逐行复位、逐行曝光、逐行读出，每行曝光起始时间不同。这在拍摄高速运动物体时会产生倾斜、果冻效应。另一种是全局快门（Global Shutter）：所有像素同时开始和结束曝光，适合工业检测、机器视觉和高速摄影，但像素内需要额外存储节点，填充因子和噪声表现通常略逊。

曝光量由三个参数共同决定：光圈、快门时间、增益。在传感器层面，增益分为模拟增益（在ADC前放大，提升信噪比但受满阱限制）和数字增益（在ADC后乘系数，会同步放大量化噪声）。因此，优先使用模拟增益、尽量延长曝光时间、配合大光圈，是提升暗光画质的通用策略。

四、读出噪声与关键参数

读出噪声是传感器在无光条件下输出的随机波动，主要来源包括：

• 复位噪声（kTC噪声）：复位开关热噪声，可通过相关双采样（CDS）大幅抑制。
• 源极跟随器噪声：1/f噪声和热噪声，与工艺和晶体管尺寸相关。
• 暗电流散粒噪声：与温度和曝光时间成正比，制冷可显著降低。
• 量化噪声：ADC位数决定，通常为1 LSB的均方根。

关键参数可用下表快速对照：

五、案例与常见误区

案例：某工业相机在检测高速传送带上的零件时出现边缘倾斜，排查发现使用的是卷帘快门CMOS。改用全局快门传感器后，运动畸变消失，但暗部噪声略有上升，这是因为全局快门像素增加了存储节点，填充因子下降。最终通过增加补光强度、降低增益来平衡。

常见误区：

1. 认为“像素越高画质越好”。实际上小像素满阱低、读出噪声占比高，暗光表现可能更差。
2. 把数字增益当作“提高灵敏度”。数字增益只是乘法，不增加光子信息。
3. 忽略暗电流的温度依赖性。温度每升高约6～8°C，暗电流约翻倍。
4. 认为CDS只用于CCD。现代CMOS同样依赖CDS抑制复位噪声。

典型CMOS像素读出时序（简化）：
1. RST 复位FD节点
2. 采样复位电平 V_reset
3. TX 转移电荷到FD
4. 采样信号电平 V_signal
5. CDS 计算 V_signal - V_reset
6. 列级ADC量化输出