图像传感器原理三言两语 “话”图像传感器(3) CMOS传感器图像获取的过程及原理

发布时间：2024-10-07 04:10:29

三言两语 “话”图像传感器(3) CMOS传感器图像获取的过程及原理

在之前的“三言两语系列”话图像传感器中，我们已经了解到了图像传感器的基本功能及感知原理，本文将继续向大家介绍CMOS传感器的图像获取过程及原理。

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如下图所示，来自照射源或光源的能量主要是通过被拍摄物体的反射（或透射）传送到成像系统的感光阵列上。需要提醒大家注意的是，这里提到的成像系统其核心部件就是CMOS二维阵列式传感器。

CMOS面阵式传感器获取图像的演示实例

那么，以CMOS二维阵列传感器为关键器件的成像系统执行的首要任务是什么呢？对了，那就是收集被拍摄物体反射或投射到CMOS感光阵列上的入射能量，并将它聚焦到一个图像平面上。如果是光学相机，则成像系统的前端是一个光学透镜，这个透镜将观察到的场景投影到透镜的聚焦平面上。与聚焦平面重合的传感器阵列，将产生与每个传感器接收到的光的总量成正比的输出。数字或模拟电路将扫描这些输出，并把它们转换成模拟信号，然后再由成像系统的模数转换器ADC部分将其数字化。最终，我们将得到一幅数字化的图像。

参考文献：

三言两语 “话”图像传感器（1）—概述；

https://m.toutiao.com/is/iFJfDKah/ - 三言两语 “话”图像传感器（1）—概述 - 今日头条

三言两语 “话”图像传感器(2)：CMOS图像传感器的感知原理

https://m.toutiao.com/is/iFJfT8kN/ - 三言两语 “话”图像传感器(2)：CMOS图像传感器的感知原理 - 今日头条

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三言两语 “话”图像传感器(2)：CMOS图像传感器的感知原理

引言

在前一篇文章中，我们已经搞清楚了CMOS图像传感器的基本功能，即将外界光信号转换为后续电路能够处理的电信号。接下来的问题就是，CMOS图像传感器又是如何将光信号转换为电信号的呢？或者说它的工作机理是什么呢？只有搞清楚这个问题，我们才能明白相机是如何拍照成像的。

人眼成像的原理

为了降低这个话题的难度，我们先来了解一下人眼成像的原理。根据现代医学原理，人眼成像是通过晶状体 的调节和视网膜 的感光作用，将我们所看物体的光线转化为神经信号，再传递到大脑中进行处理和解释，并最终形成我们所见物体的图像。下面这个图非常直观地说明了人眼成像的原理，类似于初中物理课本上所讲的小孔成像。

人眼成像的原理

CMOS图像传感器的基本组成

与上述人眼成像中视网膜的功能类似，在图像传感器中，也有一个非常重要的部件—像素阵列（如下图所示），它的主要功能就是实现当外界光源照射到其上时，产生光电效应，并在像素单元内产生相应的电荷。同时，在CMOS传感器中，还需要行选通译码器、列选通译码器、定时与控制电路、模拟信号处理单元和A/D 转换器等模块。这些模块的功能类似于我们人眼成像所需的眼角膜、瞳孔、晶状体、睫状体以及视网膜等。

CMOS 图像传感器的感光阵列及工作机理

像素阵列的感知过程及原理

如上所述，CMOS 图像传感器的像素阵列 是由大量相同的感光单元组成的，这些感光单元是图像传感器的关键部分。因此，我们先来看看CMOS 图像传感器的像素阵列 的感知过程及原理：（1）在图像传感器触发工作时，首先将所有像素阵列中的感光单元复位，清除所有电荷；（2）然后开始感光积分 到设定的曝光时间 结束；（3）接着行选通译码器和列选通译码器开始工作，并将每个感光单元的电荷逐个送出，最终转换为数字信号。

CMOS图像传感器的工作过程及原理

下面再来介绍整个CMOS图像传感器的工作过程及原理，这样一来，相信大家理解图像传感器的工作原理就不会那么费劲了：（1）行选通译码器在定时与控制电路的控制下，定时选通相应的行像素单元；（2）行像素单元内的图像信号再通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元，以便对进来的信号做放大处理和提高信噪比；（3）通过模拟放大和去噪后的信号再送到A/D 转换器，并转换成数字信号输出。这里A/D采样处理后的信号类似于人眼成像中视网膜输出的人脑能够感知的神经脉冲信号。

此外，行选通译码器可以对像素阵列逐行扫描或隔行扫描。行选通译码器与列选通译码器一起使用，可以实现图像的窗口提取功能。

下面是一个利用面阵式CMOS图像传感器获取图像的实例，其原理将在下一篇文章中介绍。