CMOS/CCD工作原理及性能参数简介
在电子化、数字化的整体趋势下，现实世界中的物理维度通过各式各样的传感器被转换成了电学量，极大地便利了信息的存储与传播，以及在数字世界中对物理世界的digital twin的重建。在光电图像领域，尤其是在消费电子领域，CMOS和CCD应该算是应用最为广泛的两类图像传感器。光电类产品研发的过程中，往往需要根据产品的设计指标和光学性能等参数，对CMOS/CCD这类图像传感器进行选型。本文从光电传感器的原理出发，针对CMOS和CCD选型过程中需要考虑的关键性能参数进行简单说明。
【光电传感器工作原理】
如图所示[1]，光子（Photon）在光敏面激发出电子（Eletron），激发出的电子数与光子数之间的比值即为量子效率；随后激发出的电子被存储在对应像素的阱中，像素阱的满阱容量和像素面积呈正相关，当像素阱被电子填充满，此时对应的是采集图像中观察到的光照饱和的情形；后续的步骤则是将每个像素中的电子通过ADU单元放大为电压信号。对应的流程也可以从下图中看到[2]。
【性能参数】
整个转换的过程中涉及到的噪声包括光子的散粒噪声（Shot Noise）、电子器件的暗噪声（Dark Noise）以及ADU模块的读出噪声（Readout Noise）等。
其中光子散粒噪声是由于光的粒子性带来的光子数统计涨落，符合泊松分布，散粒噪声等于接收到的光子数的平方根，因此接收到的光子数越多，相应的散粒噪声的信噪比越高；
暗噪声指像素内部产生的热噪声，可以理解为电子的散粒噪声，像素的暗噪声随着温度的升高和积分时间的增大而变大，一般相对于读出噪声可以忽略不计，除非进行长时间曝光时，需要对暗噪声进行计算（暗电流和曝光时间的乘积的平方根），例如天文摄像这种极暗情形下的成像，一般采用制冷CCD（cCCD）来进行成像；
读出噪声指像素阱内电子转换成输出电压信号过程中所有噪声的统称（RMS），读出噪声随扫描频率的增加而增加，更小的读出噪声意味着能够检测到更小的信号。
与噪声相对应的，图像传感器元器件参数中往往会提到“绝对灵敏度阈值”（Absolute sensitivity threshold），代表平衡噪声级别所需光子的最小数量。
低光照条件时，读出噪声为主要噪声；光照条件增加时，光子散粒噪声增加甚至超过读出噪声变为主要噪声。
参数“动态范围”（Dynamic range）指可接收光信号最大值与最小值之间的比值，表明了相机型号探测最大和最小光强度的能力。动态范围越大，对光信号的量化间隔越小，能够探测到更多细节。光敏器件的动态范围定义为输出的饱和电压/无光照时的噪声电压，这个噪声电压可以是读出噪声或是暗噪声。与之比较类似的参数“信噪比”（SNR），定义的区别是信噪比考虑所有的噪声影响，包括散粒噪声[3]。
除此之外，常常需要考虑的是图像传感器的像素尺寸，像素尺寸对应了图像中每个单元的尺寸大小，因此像素尺寸越小，图像的空间分辨率也就越高，一般而言，从空间分辨率考虑的像素尺寸，同时要与与之匹配的镜头光学性能进行校验，明确是光电传感器的像素分辨率还是镜头的光学空间分辨率会导致整体系统的分辨率瓶颈；另一方面，随着像素尺寸的减小，接收到的光子数和像素阱容量减小，导致信噪比（SNR）和动态范围（Dynamic Range）变差，因此一味追求小尺寸高分辨率反而会导致图像质量的恶化。所以一般而言，像素数量一样的情况下，像素面积越大的CCD/CMOS成像质量越好，这也是为什么手机厂商一方面会说自家采用的传感器的像素达到了千万级甚至亿级别，另一方面会提到整个感光面积达到了1/1.33英寸等的大尺寸。
【CCD/CMOS】
在图像传感器领域，CMOS属于后来者，不过出于其较低的制造成本以及不断提高的成像性能，CMOS逐步吞食了CCD的大部分应用场景。传统意义上来说，CCD的量子效率、动态范围优于CMOS；但是CMOS的扫描行频高于CCD，而且CMOS的价格成本和功耗低于CCD。不过随着CCD和CMOS的不断改进，两者之间的性能区别已经模糊，在商用及便携移动应用领域，CMOS逐渐取代CCD（索尼于2017年宣布停产CCD），CCD优势应用在于高质量和高灵敏度成像上（以及红外成像）。CMOS芯片能将图像信号放大器、信号读取电路、A/D转换电路、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，也正是因为此，CMOS的像素中光敏面积的填充率往往低于CCD，相应地，CMOS在其光敏面前可添加微透镜阵列[4]，用于将光束聚焦到光敏面上，提高受光的效率。
【参考】
FLIR: How to Evaluate Camera Sensitivity.
EMVA1288-3.0: Standard for Characterization of Image Sensors and Cameras.
Jerome, W. Gray (2017): Practical Guide to Choosing a Microscope Camera. In Micros. Today 25 (5), pp. 24–29. DOI: 10.1017/S155192951700061X.
PCO Imaging AG.: pixel size & sensitivity.