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图像传感器的光电参数及选择标准导语：图像传感器可将光信号转化为电信号，其光电参数直接决定了成像质量，是所有成像设备中的核心关键器件。图像传感器分为CCD器件和CMOS器件。CMOS图像传感器在帧频、集成度、可靠性、功耗和成本等方面优势明显。随着CMOS技术的不断进步，CMOS图像传感器的成像性能已接近或超越CCD器件，在高端工业、医疗、和科研应用中逐步取代CCD，成为主流图像传感技术。无论是CMOS或CCD图像传感器，其光电参数都可依据业界成熟的EMVA1288标准进行评价。本文将详细阐述图像传感器光电参数的含义，以便为国内成像设备商提供器件选型的标准。一、图像传感器的主要光电参数CMOS和CCD图像传感器的性能指标可分为光学指标和电学指标，而其成像质量主要取决于以下光学指标：分辨率及像元尺寸（ResolutionandPixelsize）快门类型（ShutterType）量子效率（QuantumEfficiency,QE）灵敏度（Sensitivity）暗噪声（DarkNoise）满阱容量（FullWellCapacity,FWC）动态范围（DynamicRange,DR）暗电流（DarkCurrent,DC）除上述光学指标外，图像传感器的电学指标，如帧频、功耗、输出格式及数据率也是设计成像系统时需要考虑的重要指标。1)分辨率及像元尺寸图像传感器的感光区是由多个像元排列的一维或二维矩阵，其中像元（或像素）为单个感光单元。图像传感器的分辨率通常由该矩阵的横纵方向的像元数表示，如1920x1080，或由其乘积表示，如2百万分辨率(2MP)。像元尺寸为每个像元的物理尺寸，即相邻像元中心的间距。像元尺寸越大，能收集到的光子数越多，芯片灵敏度越高，意味着在同样的光照条件下和曝光时间内，芯片能收集到的有效信号越多。在光强可控的工业应用中，像元尺寸一般在4.5-6.5微米之间；而在微光应用中，像元尺寸多在10微米到24微米之间，以保证足够的灵敏度，提升图像信噪比；在X射线成像应用中，多采用10-16微米的像元，可有效降低所需射线剂量，减少对人体不必要的辐射。同时，像元尺寸越大，满阱越高、动态范围越大，图像传感器的成像性能越好。然而在相同分辨率下，像元尺寸越大，芯片面积越大，芯片的成本和价格也会随着像元尺寸成平方关系增长。图像传感器的光学尺寸（OpticalFormat）是指图像传感器感光区域对角线的长度，一般用英寸表示。由于几乎所有的工业镜头都按照传感器的光学尺寸来进行分类，它是图像传感器最常用的指标之一。由于历史原因，1”图像传感器的对角线长度为16毫米（而不是我们一般认为的25.4毫米）。例如，主流工业应用的图像传感器为2/3”，其感光区域对角线长度为10.7mm。2)快门类型CMOS图像传感器片上集成电子快门，根据像素设计的不同，分为全局快门和卷帘快门。使用全局快门芯片时，所有像素同时开始曝光并同时结束，可捕捉高速运动物体的瞬时状态。全局快门：在全局快门像素设计中，每个像素中必须集成一个信号存储单元。当曝光结束后，每个像素将其所捕捉的信号转移至各自的存储单元中，然后逐行读出。由于在像素内集成存储单元需要相对复杂的电路结构，降低了像素内有效感光面积，因此全局快门CMOS图像传感器一般噪声较高、灵敏度和动态范围较低，如SonyIMX174的读出噪声为7个电子，CMOSIS的CMV系列读出噪声为13个电子。卷帘快门：和全局快门不同，卷帘快门的每行像素开始曝光和截止曝光是在不同时间点发生的，但是所有像素的实际曝光时间是相等的。因卷帘快门像素内没有存储单元，曝光结束后，信号必须被马上读出。因为传感器无法在同一时刻读出所有行的信号，因此曝光须逐行停止、逐行读出。为了保证每行像素的曝光时间相同，因此每行的开始曝光时间也需要顺移。卷帘快门的工作模式如图一所示：因无需存储单元，卷帘快门像素设计相对简单，可以最大程度优化有效感光面积，提升传感器的灵敏度，降低噪声。比如BAESystems、滨松和长光辰芯光电的sCMOS传感器在卷帘快门模式下暗噪声都小于2个电子。是否可以使用卷帘快门对移动物体成像一直是比较有争议的话题，我们认为应根据具体图一：卷帘快门工作原理应用参数评估，如物体相对移动速度、该运动物体在焦平面上的大小和曝光时间等。运动速度越快，在焦平面上的像越大，对全局快门传感器的需求越明确，如高速工业检测、汽车碰撞试验、爆炸分析、航空测绘等。反之，如使用卷帘快门芯片，在拟采用曝光时间内物体在焦平面上的扭曲可忽略或可矫正，则应采用卷帘快门芯片，以获得更高的灵敏度和更低暗噪声，提升图像质量。3)量子效率（QExFF）量子效率(QExFF)是衡量光电转化效率的重要指标，定义为入射光子和被像素收集到的电子的比例，通常用百分比表示。如量子效率50%，意味着每2个照射到感光区域的光子可转化成1个电子。其中，FF(FillFactor)为开口因子，是每个像元中有效感光面积与像元面积的百分比。像元尺寸越大或像元设计越合理有效，FF越高，量子效率越高。对于背照式图像传感器，光信号不经金属遮挡，直接入射到感光区域，开口因子为100%。因此背照式图像传感器的量子效率较正照式器件有大幅提升。CCD和CMOS图像传感器的量子效率一般在一定波长范围内测定，如400nm–800nm，峰值量子效率一般在550nm左右。在400nm以下和800nm以上，图像传感器的量子效率会急速下降。受硅材料能级的限制，无论CMOS还是CCD器件，量子效率在1100nm以上都下将到零。使用窄带半导体材料可实现对红外谱段的探测，但这些材料与标准CMOS技术不兼容，因此不属于CMOS图像传感器范畴。背照式图像传感器避免了正照器件表面二氧化硅层对紫外谱段的吸收，可实现对紫外谱段的探测。如在背照式工艺可对感光层表面进行加工，如添加紫外谱段抗反射镀膜，可在紫外谱段实现较高的量子效率。具备紫外探测能力的图像传感器在科学和工业应用中有非常广泛的用途，如光谱应用或高压设备故障检测等。如在图像传感器生产中采用加厚衬底材料，可增加红外谱段的吸收效率，实现在800nm实现高于40%的量子效率。4)灵敏度（Sensitivity）灵敏度是衡量图像传感器光电性能的最重要指标，高灵敏度意味着可以在光照较暗或曝光时间较短的情况下得到清晰的图像，所以在微光成像、高速成像等应用中，应选取具有高灵敏度的图像传感器芯片。灵敏度是传感器输出信号相对入射光能量的变化，常用的灵敏度单位为V/lux·s、e-/((W/m2)·s)或DN/((W/m2)·s)。因各传感器厂家使用不同的单位，用户很难对不同厂家芯片的灵敏度进行比较。下面我们从CMOS图像传感器的光电转化机理上来分析灵敏度单位的区别：如图二所示，像素将收集到的光子转换成电子后，再转变成电压信号V，经过PGA将该电压信号放大成V’，最终经ADC转换成数字信号DN输出。在比较不同传感器的灵敏度时，最客观的单位应该是以e-/((W/m2)·s)，它表征了像素收集光子的能力和进行光子到电子转换的效率，只与像元尺寸和量子效率相关，与图像传感器的其他设置无关，因此可以最客观、科学的表征传感器的灵敏度。在EMVA1288标准中采用V/lux·s，需要注意的是电压应采用像素输出电压作为信号值（即图二中的V，而不是V’，通常V’要远大于V）。然而像素的输出电压与图像传感器的电子电压转换增益（ConversionGain）相关，转换效率越高，灵敏度越高。因此如采用V//lux·s表征灵敏度时，须明确是像素输出电压，并标明转化增益。由于DN为传感器输出的最终数字信号，在不确定数字信号的放大倍数及模拟数字转换效率的情况下，一般不无法用DN/((W/m2)·s)来客观的表示传感器灵敏度。5)暗噪声（DarkNoise）暗噪声，又称作时域暗噪声或读出噪声，是指像素在完全黑暗环境中、最短曝光时间内、帧与帧之间、同一像素输出的不一致性，它表征了图像传感器对于微弱信号的极限探测能力。如sCMOS器件的暗噪声为1.5个电子，量子效率为50%，则该探测器的极限探测能力为3个光子。当有充足光照或光照条件可控，暗噪声就不再重要了，因为它会被光信号的散粒噪声所淹没。还以上述sCMOS器件为例，光信号为20000个光子，有效光信号为10000个电子，对应100个电子的散粒噪声，远超过1.5个电子的暗噪声。这时图像的信噪比将完全取决于光信号和光散粒噪声。6)满阱容量（FullWellCapacity,FWC）满阱是指像素所能收集并容纳的电子个数的极限。满阱容量直接决定了图像传感器的最大信噪比。当光信号足够强，使得像素在较短曝光时间内达到满阱时，信噪比最高。此时，噪声被光信号的散粒噪声（√𝐹𝑊𝐶）主导，所以最大信噪比为SNRMAX.=20×log(𝐹𝑊𝐶√𝐹𝑊𝐶⁄)=20×log(√𝐹𝑊𝐶)因此：在微光应用和高速应用中，应选取低暗噪声和高灵敏度的图像传感器；而在光照充足或对于最大信噪比有明确要求的应用，应选取满阱容量高的图像传感器。图二：CMOS图像传感器光电转换框架图7)动态范围（DynamicRange,DR）动态范围是图像传感器成像质量最重要的指标之一，表征了传感器对强光和弱光同时分辨的能力。图像传感器的动态范围高，就可以探测更宽光强范围内的场景信息，图像的细节更丰富。动态范围是满阱与暗噪声的比值，一般用分贝表示：DR=20×log(𝐹𝑊𝐶𝐷𝑎𝑟𝑘𝑁𝑜𝑖𝑠𝑒⁄)动态范围包括单幅动态范围(intra-scene)和最大动态范围。单幅动态范围是在同一增益设置下满阱容量和暗噪声的比值；而最大动态范围是芯片所能达到的最大满阱与最小暗噪声的比值。像素尺寸越大，满阱越高，动态范围越高，图像传感器的光电性能越好。用户需要注意区分“动态范围”和“最大信噪比”两个参数，动态范围是满阱除以暗噪声、最大信噪比是满阱除以达到满阱光强时的光散粒噪声，因此探测器动态范围往往远大于最大信噪比。8)暗电流（DarkCurrent,DC）暗电流为像素在单位时间内受热激发产生的电子的均值，单位为e-/s/pix。暗电流噪声为在一定曝光时间内产生的暗电流的平方根，例一个图像传感器的暗电流为36e-/s/pix，曝光时间为100秒，则暗电流为3600e-，暗电流噪声为60e-。因此，随着曝光时间的增加，暗电流噪声会超越暗噪声，对图像质量产生很大的影响。暗电流和传感器的工作温度关系密切。因此对于长曝光时间应用，如天文观测、荧光成像等，一般会对图像传感器进行制冷，使其工作温度在零下30度左右；对于科学级应用，甚至会降温到零下70度，以减小暗电流噪声对图像质量的影响。二、如何选择合适的图像传感器图像传感器的选型是决定成像系统性能的关键。在选型时，首先需要确定该成像系统的应用及拍摄环境参数，如所拍摄场景的大小及在该场景下需要解析的最小物体、拍摄距离、帧频、曝光时间、所拍摄场景内光强范围等。由上述参数可确定图像传感器的分辨率、像元尺寸、快门类型、帧频和动态范围等关键光电参数。机器视觉应用中，一般帧频50fps，拍摄距离短，生产环境光强可控，曝光时间较短，一般采用全局快门图像传感器，除特殊应用外，动态范围60dB可以满足大多数机器视觉的要求。在高速自动化生产线上应用的机器视觉产品，对帧频要求躲在150-300fps之间。由于机器视觉产品用量较大，对于芯片的价格有较高的要求。安防监控和智能交通监控应用：目前安防监控和只能交通监控应用的主要趋势是低照度、星光级相机，主要关注夜晚成像分辨能力，以减少对LED照明/补光的依赖。这要求传感器具有高灵敏度和低暗噪声。另外室外场景光强范围宽，对于图像传感器的动态范围也有较高要求。该类应用中，因为多拍摄运动物体，一般采用全局快门芯片。长曝光时间应用，如天文应用、荧光成像等，要求像元尺寸较大，噪声低、灵敏度高、并对传感器的暗电流，尤其在深度制冷后的暗电流有较高要求，从而能够采集微弱的生物光信号并得到信噪比较高的图像。该类应用中多采用卷帘快门。数字成像应用：如单反相