2.3 sensor技术
图2.11 像素结构及其演进；(a)基本结构像素：光电二极管和累积单元；(b)Active像素，增加了现场放大；(c)4-T配置下Active像素：累积和读出模块分离
数字相机的成像传感器功能就好比老相机的胶卷。它将穿过镜头系统的光转化成电信号。电信号被适当处理，以标准格式在pipeline末尾存储。如图2.11(a)所示为像素的基本结构：一个光电二极管(将光转化成电信号)，一个累积单元(电容)和一个开关。这种结构亦称为Passive pixel。这种构造的优势是可以最大化填充因子。
图2.11(b)所示为active pixel结构，增加了信号放大单元。这个放大系统可在读出过程中增大信号强度，因此提供SNR。亦被称为3-T(3个晶体管)结构。像素内的电荷电压转换提高了输出阻抗，但却降低了填充因子，因为部分像素表面用于放置2个开关和1个放大器。由这种像素组成的sensor被称作Active Pixel Sensor(APS)。
尽管这个结构有累积和读出电路，但二者是非隔离的，读出过程中，来自累积模块的噪声被放大和传送。因此一般广泛引用的结构是4-T结构，如图2.11(c)。这个结构中累积和读出是分离的，会提高最终SNR。
2.3.1 CCD和CMOS sensor
2.12 读出模式比较：通过电荷转移(CCD)和通过地址直接读取(CMOS)
2.13 共用相同技术，CMOS sensor和处理单元可集成于一块芯片，而CCD sensor和处理单元必须分开
第一个图像sensor诞生于1970，基于CCD(电荷耦合器件)技术。至于COMS传感器，它们是硅基的，材料相似。然而CCD sensor是专门为采集图像而设计的并且发展了40余年。直到几年前，CCD sensor在图像质量这块表现突出，低噪声，高填充因子，高灵敏度和低暗电流(表2.1)。与CMOS(互补金属氧化物半导体)器件不同的是，CCD需要专用的高电压(10V)时钟驱动，高偏置电压(最大15V)和像素按次序读出的缺点，如图2.12。这也迫使开发者分离sensor和图像处理单元(图2.13)，由于不同的制造技术(常常sensor和处理单元非同一制造商)从而增加成本，更大的CCD sensor尺寸(结果是需要更大的空间进入设备)。
因上述原因在20世纪90年代末芯片制造商实现了第一款CMOS图像传感器，成像质量差于CCD sensor，因此主要应用于低端市场。然而过去的几年间这一趋势改变了，现在CMOS sensor具有比CCD更高的性价比并且许多专业单反(SLR)中使用CMOS sensor。
CCD和CMOS图像传感器的不同点。
CCD：
l 电荷跨芯片传输并在阵列一角读出；
l 使用特殊制造工艺处理，能不失真跨芯片传输电荷；
l 高填充因子。
CMOS：
l 每个像素对应几个晶体管放大和转移电荷，通过传统的线；
l 更灵活，每个像素能单独读出；
l 高使用同样传统工艺制造主微处理器；
l 集成简单；
l 低填充因子。
图2.12展示了CCD和CMOS不同的读出模式。前者通过按顺序转移像素的值到同列相邻像，直到列末尾。后者可通过实际像素位置寻址直接读出。这意味着CCD sensor中的一个坏点可能会影响整列的读出，而CMOS sensor中只影响它本身值不影响列上其他像素。另外，CCD的读出过程是”按次序的”，因此会慢于CMOS的”并行”通信处理。另外CCD sensor技术和图像信号处理器技术不同，它的尺寸大于同处理器技术一致的CMOS sensor。结果如图2.13，CMOS sensor和处理器可以集成在一起，节省空间，传输问题和电路布局。
3CCD
2.14 3CCD结构器件：输入图像送给3个sensor，1个对应1种颜色sensor
为了获得全彩采集的优势，一些系统使用3个sensor，1个对应一个颜色分量，因此每个像素都可采集其全部颜色分量。使用棱镜将光学系统的输入图像送给sensor。为了图像质量和易于使用，分光棱镜应有几点简单特征：
l 所有输出图像应该面向输入图像同一方向；
l 所有通道光路长度必须相同；
l 棱镜传送所有偏振角度光且均匀性好；
l 保护所有涂层不受环境影响；
l 足够的空间用于装备过滤器和sensor。
这种系统常应用于专业录像机。图2.14展示了一个经典的3CCD采集系统的结构。注意棱镜的设计，使每个sensor实际上处于和镜头相同距离位置。