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作者：Luo Xin 上次談到的APS像素只是一個單點的光電傳感器，只獲取整幅圖像中一個點的光照強度值。而在CMOS成像器芯片上，整幅光學圖像是成像在一個APS像素陣列Pixel Array的平面上，整幅圖像信息的獲得是由這個像素陣列實現的，像素陣列的結構決定了圖像的分辨率和畫面結構。 一般的像素陣列是由水平方向的行（Row）和垂直方向的列（Column）構成，如圖3（A）所示意。陣列中相鄰像素中心線的距離稱為步距Pitch，在大多數設計中，垂直和水平方向采取相等的像素步距；而像素的形狀采取邊長相等于步距的正方形： Pixel height =Pixel width = Pitch row = Pitch column。 
無論如何，設計的一般原則是：攝像器件像素排列的圖案，必須與顯示的像素排列完全相同對應，才能無失真地攝取和還原圖像畫面。在一個正方像素陣列（M，N）中，行和列的像素數決定了圖像的分辨率和寬長比。圖像的總有效像素數Total Pixel Number通常被用來表達圖像的分辨率，TPN = M x N；而圖像的寬高比Aspect = M / N。 表 1，典型數字圖像的結構
因為經過聚焦的光學圖像成像在像素陣列上，像素陣列的尺寸與光學系統相關，陣列尺寸實際上就是光學成像畫面的尺寸。在數字單反照相機DSLR上，普遍采用“全幅”36 x 24 mm2畫面，這就是傳統135照相膠片的成像尺寸；或者“半幅”24 x 16 mm2畫面，也就是35 mm電影膠片的成像尺寸，以便充分延續利用膠片時代優秀的光學鏡頭設計。DSLR畫面的寬高比Aspect通常也采用3:2，如膠片時代的照片和普通電影畫面一樣。譬如要求圖像的分辨率為TPN = 24 Meg Pixels，而圖像畫面即像素陣列尺寸為36 x 24 mm2，計算出來單個像素的尺寸和步距應該是6 x 6 μm2。對于一個移動電話攝像用的3.1 Meg Pixels CMOS成像器而言，采用1/4英寸光學鏡頭，芯片的像素陣列尺寸為3.6 x 2.7 mm2，像素尺寸為1.75 x 1.75 μm2。數字影院級攝像機的CMOS傳感器通常也用類似DSLR“半幅”的像素陣列尺寸，使畫面的尺寸看上去象是沿襲電影膠片的。作為例子一個高清影院級4K畫面CMOS成像器，其陣列尺寸為24.2 x 12.5 mm2，總像素數為4480 x 2304 = 11 Meg Pixels，像素尺寸為5.4 x 5.4 μm2。 圖3（B）示意由最簡單3T-APS像素陣列的像素間互連。在陣列的水平方向，每一行像素共享一組重置信號Rst（n）和選擇控制信號Sel（n）；在陣列的垂直方向，每一列像素共享輸出信號線Out（m），并最終連接到一個恒流源上。這個恒流源作為m列每個像素中源極跟隨器SF的共享負載。在這個結構中，每行像素同時執行相同的重置Rst和選擇Sel操作。曝光的控制是通過Rst（n）按行操作的，而所有在一行上的像素又同時被Sel（n）選擇輸出光電信號；在被選中行（n）中，分屬于不同列的輸出 Out（m）分別輸出；陣列中所有像素上的電源Vdd都是被連在一起的。 為了在同一顆成像器芯片上，即一個成像器陣列上獲得彩色的圖像，CMOS成像器在每一個像素上加上紅綠蘭不同基色的濾光層。以產生分別對不同基色感光的紅R、綠G、蘭B像素，以檢測不同基色光照強度的信息。最通常采用的基色像素排列圖案，稱為Bayer像素排列（或圖案），如圖3（C）所示。Bayer排列由4個上下左右相鄰的像素構成一組，這一組像素獲得的光能量為： Ec = 1R + 1B + 2G 相鄰行讀出像素的順序為：G、R、G、R、G …，和B、G、B、G、B …。不同基色的信號，可以在模擬層面或數字層面用時序分別切換到三基色RGB的信號輸出。實際上在一組Bayer排列的4個像素上，三個基色并不真正在一個空間坐標點上，而三個基色的感光的能量也是不同的。直接來自像素的信號讀出后，用數字處理方法可以把一組4個相鄰像素獲得的信息，處理成一組能量均衡的接近真實的RGB信息。但是即使這樣也會引起彩色的失真，以及實際圖像空間分辨率的下降。 |
