sensor的成像指标

通常由以下光学指标决定，即分辨率和像元尺寸、快门类型、量子效率、灵敏度、暗噪声、满陷阱容量、动态范围、暗电流、图像传感器电学指标，如帧频率、功耗、输出格式和数据率也是设计成像系统时需要考虑的重要指标。

1) 分辨率和像元尺寸
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)是单个感光单元。图像传感器的分辨率通常由矩阵横向和纵向的像元数表示，如1920 x 1080， 或由其乘积表示，如2 百万分辨率(2MP)。像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，元尺寸一般为4.5-6.5 微米之间；在微光应用中，像元的大小大多是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 10-16多用于射线成像应用 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， 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毫米(.4 毫米）。例如，主流工业应用的图像传感器为2/3，其对角线长度为10.7mm。

2) 快门类型
CMOS 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局快门和卷帘快门。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。全球快门：信号存储单元必须集成在全球快门像素设计中。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。由于像素内集成存储单元需要相对复杂的电路结构，减少了像素内的有效光敏面积，因此全球快门CMOS 图像传感器一般噪音高，灵敏度低，动态范围低Sony IMX174 读出噪声为7 个电子，CMOSIS 的CMV该系列读出噪声为13 个电子。卷帘快门：与全球快门不同，卷帘快门的每一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。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。比如BAESystems、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。

3) 量子效率（QExFF）
量子效率(QE x FF)它是衡量光电转换效率的重要指标，定义为入射光子与被像素收集的电子的比例，通常以百分比表示。如果量子效率为50%，则意味着每2 照射到感光区的光子可以转化为电子。其中， FF(Fill Factor)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。对于背照图像传感器，光信号直接进入感光区，无需金属遮挡，开口因子为100%。因此，与正照式设备相比，背照式图像传感器的量子效率大大提高。CCD 和CMOS 图像传感器的量子效率一般在一定的波长范围内测量，如400nm – 800nm，峰值量子效率一般为550nm 左右。在400nm 以下和800nm 图像传感器的量子效率会迅速下降。无论受硅材料能级的限制，CMOS 还是CCD 量子效率为1100nm 以上都将下降到零。使用窄带半导体材料可以检测红外谱段，但这些材料和标准CMOS 技术不兼容，不属于CMOS 图像传感器类别。背照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，可实现紫外谱段的检测。如果可以在背照工艺中加工感光层表面，如添加紫外谱抗反射涂层，可以在紫外谱段达到较高的量子效率。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。如果在图像传感器生产中使用加厚衬底材料，可以提高红外谱段的吸收效率，实现800nm 量子效率高于40%。

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。高灵敏度意味着在光线较暗或曝光时间较短时可以获得清晰的图像。因此，在微光成像、高速成像等应用中，应选择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于射光能量的变化，常用的灵敏度单位是V/lux·s、e-/((W/m2 )·s)或DN/((W/m 2 )·s)。由于传感器制造商使用不同的单位，用户很难比较不同制造商芯片的灵敏度。像素将收集到的光子转换为电子，然后转换为电压信号V，经过PGA 放大电压信号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e-/((W/m2)·s)，它表示像素收集光子的能力和从光子到电子转换的效率，只与像素尺寸和量子效率有关，与图像传感器的其他设置无关，因此传感器的灵敏度可以最客观、最科学地表示。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，图像传感器的输出电压和电子电压转换增益（Conversion Gain）转换效率越高，灵敏度越高。因此如采用V//lux·s 在表示灵敏度时，必须明确像素输出电压，并标明转化增益。由于DN 在不确定数字信号的放大倍数和模拟数字转换效率的情况下，传感器输出的最终数字信号一般不能使用DN/((W/m 2 )·s)客观地表示传感器的灵敏度。

5) 暗噪声（DarkNoise）
暗噪声，又称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、帧与帧之间、同一像素输出的不一致性，表示图像传感器对微弱信号的极限探测能力。如sCMOS 设备的暗噪声为1.5 如果量子效率为50%，探测器的极限探测能力为3 个光子。当有足够的光要，因为它会被光信号的散粒噪声淹没。还以上述sCMOS 以设备为例，光信号为2万 有效光信号为1万个光子 个电子， 对应100个电子的散粒噪声远超过100个.5 电子暗噪声。此时，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（FullWell Capacity, FWC）
满阱是指像素能够收集和容纳的电子数量的极限。图像传感器的最大信噪比直接由满陷容量决定。当光信号足够强时，当像素在短曝光时间内达到满圈时，信噪比最高。因此，在微光应用和高速应用中，应选择低暗噪声和高灵敏度的图像传感器；在光照充足或对最大信噪比要求明确的应用中，应选择满圈容量高的图像传感器。