图像传感器的主要光电参数有哪些？

图像传感器可以将光信号转换为电信号，其光电参数直接决定成像质量，是所有成像设备的核心关键设备。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、可靠性、功耗和成本等方面具有明显的优势。随着 CMOS 技术不断进步，CMOS 图像传感器的成像性能已接近或超过 CCD 设备逐渐被高端工业、医疗和科研应用所取代 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 评价标准。

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，其成像质量主要取决于以下光学指标：

分辨率和像元尺寸（Resolution and Pixel size）

快门类型（Shutter Type）

量子效率（Quantum Efficiency, QE）

灵敏度（Sensitivity）

暗噪声（Dark Noise）

满阱容量（Full Well Capacity, FWC）

动态范围（Dynamic Range, DR）

暗电流（Dark Current, DC）

除上述光学指标外，帧频、功耗、输出格式和数据率等图像传感器的电学指标也是设计成像系统时需要考虑的重要指标。

1.分辨率和像元尺寸
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 1920 x 如1080，或由其乘积表示 2 百万分辨率(2MP)。

元尺寸是每个像元的物理尺寸，即相邻像元中心的间距。元尺寸越大，光子数量越多，芯片灵敏度越高，芯片在相同的光照条件和曝光时间内收集的有效信号越多。在光强可控的工业应用中，像元尺寸一样 4.5-6.5 微米之间；在微光应用中，像元的大小大多在 10 微米到 24 在微米之间，为了保证足够的灵敏度，提高图像信噪比； X多用于射线成像应用 10-16 微米像元能有效减少所需的射线剂量，减少对人体不必要的辐射。同时，图像传感器的成像性能越大，满阱越高，动态范围越大。但在相同的分辨率下，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的平方关系而增加。

图像传感器的光学尺寸（Optical Format）指图像传感器感光区对角线的长度，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进行分类，因此它们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(而不是我们通常认为的) 25.4 毫米）。例如，主流工业应用的图像传感器是 感光区对角线长度为2/3 10.7mm。

2、 快门类型

MOS 根据不同的像素设计，图像传感器片上的集成电子快门分为全球快门和卷帘快门。当使用全球快门芯片时，所有像素同时开始曝光和结束，以捕捉高速运动物体的瞬时状态。

2.1全球快门：在全球快门像素设计中，每个像素必须集成一个信号存储单元。曝光后，每个像素将捕获的信号转移到各自的存储单元，然后逐行读取。

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 图像传感器一般噪音高，灵敏度低，动态范围低 Sony IMX174 读出噪音为 7 个电子，CMOSIS 的 CMV 该系列读出噪声为 13 个电子。

2.2卷帘快门：与全球快门不同，卷帘快门的每行像素在不同的时间点开始曝光和截止曝光，但所有像素的实际曝光时间相等。由于卷帘快门像素中没有存储单元，曝光后必须立即读取信号。由于传感器不能同时读取所有行的信号，曝光必须逐行停止和读取。为了保证每行像素的曝光时间相同，还需要顺移每行的开始曝光时间。

2.2.卷帘快门的工作模式如下图所示：

2.2.2卷帘快门工作原理

由于不需要存储单元，卷帘快门像素设计相对简单，可以最大限度地优化有效的光敏面积，提高传感器的灵敏度，降低噪音。 BAE Systems、滨松和长光辰芯光电 sCMOS 卷帘快门模式下传感器的暗噪声小于 2 个电子。

卷帘快门是否使用，一直是移动物体成像的争议话题。我们认为应根据具体的应用参数进行评估，如物体的相对移动速度、运动物体在焦平面上的大小和曝光时间。运动速度越快，焦平面上的图像越大，对高速工业检测、汽车碰撞试验、爆炸分析、航空测绘等全球快门传感器的需求越明确。相反，如果使用卷帘快门芯片，可以忽略或纠正拟曝光时间内物体在焦平面上的扭曲，则应使用卷帘快门芯片，以获得更高的灵敏度和更低的暗噪声，提高图像质量。

备注：
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