CMOS Sensor內部結構及工作原理
3、光子（Photon）與量子效率（quantum efficiency）
1、Cmos sensor stack (以手機相機爲例)
如上的構造和堆棧類似，光線進入物鏡、通過IR cut(過濾掉紅外光)、進入Micolens (sensor 每個像素上都有一個微鏡頭，更利於聚光)、
ColorFilter(用來過濾出光線中的R\G\B顏色分量的濾光板)、透射到Sensor Array（像素陣列，是bayer格式）、最後是PCB電路板；
2、sensor floorplan （平面構造圖）
- Optical Black：光遮斷黑電平，用金屬遮蓋住這一部分的光線，讓其完全不感光，體現出的顏色就是Optical black；
- Dummy border: 不用的一部分像素；
- Power management：電源管理模塊 ；
- Control/processing/memory：有OTP、....
- READOUT：輸出電路，把感光元器件的感光值變爲數字值，給讀出來；
每個有效像素都是下圖中的結構（反向偏置的感光二極管+MOS電容），當在二極管上施加反向偏置電壓時，他就變成了一個電容，加反向電壓就是給電容充電，在二極管裏面形成電荷，對於這種光電二極管來說，當反向充電充滿後，由於光子的攝入，會導致內部激發出新的電子和供缺對，與原來充電形成的電子和供缺對進行配對放電，形成電流（l_ph），由於光子的激發產生的光電流，光電流經過右邊的電容器累計電荷進行充電的動作，把電流變成電壓輸出出去，這就是一個基本的感光元件的基本結構，不止camear sensor，其他光譜產品也是用的類似結構；
3、光子（Photon）與量子效率（quantum efficiency）
由於光線的波長及頻率不同，則每種色光的光子所載有的能量是不同的，如下藍色光光子是4.41E^-19焦耳；
光子能量：E=h（普朗克宏量）* c（光速）/ λ（光的波長）
總能量：Total_Power=sum_of (all photons) 所有光子能量的和 ；
量子效率：QE=1/3 in this case (如上圖，3個光子形成1個電荷)；
4、與量子效率QE有關的幾個重要概念
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QE：是衡量某個顏色通道某個頻率/波長的光子轉換成電子的效率；
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IR cuter：cut near IR (用於去掉camrea近紅外不可見光) ；
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Crosstalk：用於衡量整個成像模組的性能指標（包括lens、color filter、IR、Sensor），理想情況下經過Color filter每個RGB pixel都只感受其對應顏色的光，如圖2所示，但現實是因爲不同的模組，工藝，使得每個顏色通道的感光都是交疊的，如圖1.所示，pixel不能完全被一個顏色通道的光所激發的情況叫Crosstalk，Crosstalk越小越好，所以ISP會有一個ccm的模塊用來矯正這個問題（相當於我要算b通道的顏色分量時，要把g,r通道的響應要減去）；
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Sensitivity = QE * Pixel_Size （Sensitivity也就是像素對光的敏感程度，即同樣的光子我能激發多少的電荷）；
圖1. 圖2.
5、感光過程
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充電：先對光電二極管進行充電，N是電子，P是空穴（模擬電路中的兩種載流子，帶有負電荷和正電荷），當對二極管施加反向電壓時，就相當於對二極管的容性進行充電，在二極管上就形成了如圖，上面4個電子，下面4個空穴；
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感光：當有光子進來時，光電二極管進行光電效應，就會激發一個電子和空穴的配對，就會與原來存在的電子和空穴進行融合（正負融合）就形成了光電流，光電流在mos電容上面形成充電效應，就會產生一個電壓的變化，如果原來是0，現在增加的就是△V；
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放電：從二極管的角度來看，電荷數也就是電子數和空穴數變少了（光子激發了電子和空穴的配對），△Q(電荷變化) =Ne (光子數) * e (單個電荷的能量) * QE (光電轉換效率）;Q (電容)= V * C(電容的大小)，△V =△Q/C (電容處輸出的電壓，對應上了電荷的變化，也就是把光電效應和輸出電壓聯繫起來了，實現了光子到電壓的轉換，後面會再有進一步的電路再去處理電壓值）；
6、讀取過程
如下，經過感光過程得到從e到v的變化，實現了感光程度可以量化的一個數值，接着信號經過模擬放大器放大，接着通過AD轉換器，變爲數字信號；
從時間軸上來看，Reset (充電過程)，把所有光電二極管充滿電，讓其變爲Full Well，接着等待一段時間進行感光（也就是曝光時間），最後讀取電路，總共對Sensor操作的時間爲：
Total_time =reset_teme + exposure_time +readout_time（reset_time比較小，有時計算不精確時，可以忽略掉）；
7、Sensor動態範圍
如上圖，中間部分爲器件感光部分（用來存儲光生電荷的電場，叫勢阱），勢阱越大。能容納的電子越多，Sensor的動態範圍則越大，這涉及到如下幾個概念：
1、Full well Capacity：電荷累積到一定程度，勢阱滿了，電荷就會溢出，所以電荷累計到什麼程度勢阱會滿的程度就叫Full well；
2、Dark Current: 勢阱底部始終存在不感光的電荷，他是與物理器件、半導體的工藝缺陷，是無法避免的，也是造成black level的原因；
3、Fill Factor：是中間感光部分的阱的面積除以整個PCB的面積；
Dynamic Range = Saturation/black level (Saturation由Full well決定，black level由Dark Current決定，對WDR的sensor來說是一個非常重要的指標)；
8、Sensor 時序
每次曝光結束時，就會有相應的讀出電路，把信號讀出來，就可以得到當前光電二級管的電壓值，這就是sensor操作的一個時序；
9、Noise in Sensor
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時域噪聲--- KTC Nosie(readout)、PhotonShoNoise、DarkCurrentNoise、PowerNoise
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空域噪聲--- DefectPixel、ROW/ColumnNoise、PRNU、DSNU
10、Crosstalk 對 noise的影響