图像传感器的主要光电参数有哪些？

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。

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（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，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
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 1080，或由其乘积表示，如 2 百万分辨率(2MP)。

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（Optical Format）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

MOS 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。

2.1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。

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 Sony IMX174 的读出噪声为 7 个电子，CMOSIS 的 CMV 系列读出噪声为 13 个电子。

2.2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。

2.2.1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

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 BAE Systems、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。

备注：
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