圖像傳感器的光電參數(shù)及選擇標(biāo)準(zhǔn)長光辰芯光電

1、圖像傳感器的光電參數(shù)及選擇標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)語： 圖像傳感器可將光信號轉(zhuǎn)化為電信號， 其光電參數(shù)直接決定了成像質(zhì)量， 是所有成像設(shè)備中的核心關(guān)鍵器件。 圖像傳感器分為 ccd器件和 cmos器件。cmos圖像傳感器在幀頻、集成度、可靠性、功耗和成本等方面優(yōu)勢明顯。隨著 cmos技術(shù)的不斷進(jìn)步， cmos圖像傳感器的成像性能已接近或超越 ccd器件， 在高端工業(yè)、 醫(yī)療、 和科研應(yīng)用中逐步取代 ccd，成為主流圖像傳感技術(shù)。無論是 cmos 或 ccd圖像傳感器，其光電參數(shù)都可依據(jù)業(yè)界成熟的 emva1288 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)。 本文將詳細(xì)闡述圖像傳感器光電參數(shù)的含義， 以便為國內(nèi)成像設(shè)備商提供器件選型的標(biāo)準(zhǔn)。

2、一、 圖像傳感器的主要光電參數(shù)cmos 和 ccd 圖像傳感器的性能指標(biāo)可分為光學(xué)指標(biāo)和電學(xué)指標(biāo)，而其成像質(zhì)量主要取決于以下光學(xué)指標(biāo)：分辨率及像元尺寸（ resolution and pixel size）快門類型（ shutter type）量子效率（ quantum efficiency, qe）靈敏度（ sensitivity）暗噪聲（ dark noise）滿阱容量（ full well capacity, fwc）動(dòng)態(tài)范圍（ dynamic range, dr）暗電流（ dark current, dc）除上述光學(xué)指標(biāo)外， 圖像傳感器的電學(xué)指標(biāo)， 如幀頻、功耗、 輸出格式及數(shù)據(jù)率也是

3、設(shè)計(jì)成像系統(tǒng)時(shí)需要考慮的重要指標(biāo)。1) 分辨率及像元尺寸圖像傳感器的感光區(qū)是由多個(gè)像元排列的一維或二維矩陣， 其中像元 （或像素） 為單個(gè)感光單元。圖像傳感器的分辨率通常由該矩陣的橫縱方向的像元數(shù)表示，如 1920 x 1080，或由其乘積表示，如 2 百萬分辨率 (2mp)。像元尺寸為每個(gè)像元的物理尺寸， 即相鄰像元中心的間距。 像元尺寸越大， 能收集到的光子數(shù)越多， 芯片靈敏度越高， 意味著在同樣的光照條件下和曝光時(shí)間內(nèi)， 芯片能收集到的有效信號越多。在光強(qiáng)可控的工業(yè)應(yīng)用中，像元尺寸一般在 4.5-6.5 微米之間；而在微光應(yīng)用中，像元尺寸多在 10 微米到 24 微米之間，以保證足夠的靈

4、敏度，提升圖像信噪比；在 x射線成像應(yīng)用中，多采用 10-16 微米的像元，可有效降低所需射線劑量，減少對人體不必要的輻射。同時(shí)，像元尺寸越大，滿阱越高、動(dòng)態(tài)范圍越大，圖像傳感器的成像性能越好。然而在相同分辨率下， 像元尺寸越大， 芯片面積越大， 芯片的成本和價(jià)格也會(huì)隨著像元尺寸成平方關(guān)系增長。圖像傳感器的光學(xué)尺寸 （optical format ）是指圖像傳感器感光區(qū)域?qū)蔷€的長度， 一般用英寸表示。 由于幾乎所有的工業(yè)鏡頭都按照傳感器的光學(xué)尺寸來進(jìn)行分類， 它是圖像傳感器最常用的指標(biāo)之一。由于歷史原因， 1”圖像傳感器的對角線長度為 16 毫米（而不是我們一般認(rèn)為的 25.4 毫米）。例如

5、，主流工業(yè)應(yīng)用的圖像傳感器為 2/3 ”，其感光區(qū)域?qū)蔷€長度為 10.7mm 。2) 快門類型cmos圖像傳感器片上集成電子快門， 根據(jù)像素設(shè)計(jì)的不同， 分為全局快門和卷簾快門。使用全局快門芯片時(shí)， 所有像素同時(shí)開始曝光并同時(shí)結(jié)束， 可捕捉高速運(yùn)動(dòng)物體的瞬時(shí)狀態(tài)。全局快門 ：在全局快門像素設(shè)計(jì)中， 每個(gè)像素中必須集成一個(gè)信號存儲(chǔ)單元。 當(dāng)曝光結(jié)束后，每個(gè)像素將其所捕捉的信號轉(zhuǎn)移至各自的存儲(chǔ)單元中，然后逐行讀出。由于在像素內(nèi)集成存儲(chǔ)單元需要相對復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)， 降低了像素內(nèi)有效感光面積， 因此全局快門 cmos 圖像傳感器一般噪聲較高、 靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍較低， 如 sony imx174 的讀

6、出噪聲為 7 個(gè)電子， cmosis 的 cmv 系列讀出噪聲為 13 個(gè)電子。卷簾快門 ：和全局快門不同， 卷簾快門的每行像素開始曝光和截止曝光是在不同時(shí)間點(diǎn)發(fā)生的， 但是所有像素的實(shí)際曝光時(shí)間是相等的。 因卷簾快門像素內(nèi)沒有存儲(chǔ)單元， 曝光結(jié)束后， 信號必須被馬上讀出。 因?yàn)閭鞲衅鳠o法在同一時(shí)刻讀出所有行的信號， 因此曝光須逐行停止、 逐行讀出。 為了保證每行像素的曝光時(shí)間相同， 因此每行的開始曝光時(shí)間也需要順移。卷簾快門的工作模式如圖一所示：圖一：卷簾快門工作原理因無需存儲(chǔ)單元， 卷簾快門像素設(shè)計(jì)相對簡單， 可以最大程度優(yōu)化有效感光面積， 提升傳感器的靈敏度，降低噪聲。比如 bae sy

7、stems、濱松和長光辰芯光電的 scmos傳感器在卷簾快門模式下暗噪聲都小于 2 個(gè)電子。是否可以使用卷簾快門對移動(dòng)物體成像一直是比較有爭議的話題， 我們認(rèn)為應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用參數(shù)評估， 如物體相對移動(dòng)速度、 該運(yùn)動(dòng)物體在焦平面上的大小和曝光時(shí)間等。 運(yùn)動(dòng)速度越快，在焦平面上的像越大， 對全局快門傳感器的需求越明確， 如高速工業(yè)檢測、汽車碰撞試驗(yàn)、爆炸分析、航空測繪等。反之，如使用卷簾快門芯片，在擬采用曝光時(shí)間內(nèi)物體在焦平面上的扭曲可忽略或可矯正， 則應(yīng)采用卷簾快門芯片， 以獲得更高的靈敏度和更低暗噪聲，提升圖像質(zhì)量。3) 量子效率（ qe x ff）量子效率 (qe x ff是) 衡量光電轉(zhuǎn)化

8、效率的重要指標(biāo)，定義為入射光子和被像素收集到的電子的比例， 通常用百分比表示。 如量子效率 50%，意味著每 2 個(gè)照射到感光區(qū)域的光子可轉(zhuǎn)化成 1 個(gè)電子。其中， ff(fill factor)為開口因子，是每個(gè)像元中有效感光面積與像元面積的百分比。像元尺寸越大或像元設(shè)計(jì)越合理有效， ff 越高，量子效率越高。對于背照式圖像傳感器，光信號不經(jīng)金屬遮擋，直接入射到感光區(qū)域，開口因子為 100%。因此背照式圖像傳感器的量子效率較正照式器件有大幅提升。ccd和 cmos圖像傳感器的量子效率一般在一定波長范圍內(nèi)測定，如 400nm 800nm ，峰值量子效率一般在 550nm 左右。 在 400nm

9、 以下和 800nm 以上，圖像傳感器的量子效率會(huì)急速下降。 受硅材料能級的限制， 無論 cmos還是 ccd器件， 量子效率在 1100nm 以上都下將到零。 使用窄帶半導(dǎo)體材料可實(shí)現(xiàn)對紅外譜段的探測， 但這些材料與標(biāo)準(zhǔn) cmos技術(shù)不兼容，因此不屬于 cmos圖像傳感器范疇。背照式圖像傳感器避免了正照器件表面二氧化硅層對紫外譜段的吸收， 可實(shí)現(xiàn)對紫外譜段的探測。 如在背照式工藝可對感光層表面進(jìn)行加工， 如添加紫外譜段抗反射鍍膜， 可在紫外譜段實(shí)現(xiàn)較高的量子效率。 具備紫外探測能力的圖像傳感器在科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中有非常廣泛的用途，如光譜應(yīng)用或高壓設(shè)備故障檢測等。如在圖像傳感器生產(chǎn)中采用加厚襯底

10、材料， 可增加紅外譜段的吸收效率， 實(shí)現(xiàn)在 800nm實(shí)現(xiàn)高于 40%的量子效率。4) 靈敏度（ sensitivity）靈敏度是衡量圖像傳感器光電性能的最重要指標(biāo)， 高靈敏度意味著可以在光照較暗或曝光時(shí)間較短的情況下得到清晰的圖像， 所以在微光成像、 高速成像等應(yīng)用中， 應(yīng)選取具有高靈敏度的圖像傳感器芯片。靈敏度是傳感器輸出信號相對入射光能量的變化，常用的靈敏度單位為 v/lux ·s、-e /(w/m2) ·s)或 dn/(w/m2) s·)。因各傳感器廠家使用不同的單位，用戶很難對不同廠家芯片的靈敏度進(jìn)行比較。 下面我們從 cmos圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)化機(jī)理上

11、來分析靈敏度單位的區(qū)別：圖二： cmos 圖像傳感器光電轉(zhuǎn)換框架圖如圖二所示， 像素將收集到的光子轉(zhuǎn)換成電子后， 再轉(zhuǎn)變成電壓信號 v，經(jīng)過 pga將該電壓信號放大成 v，最終經(jīng) adc轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 dn 輸出。在比較不同傳感器的靈敏度時(shí)， 最客觀的單位應(yīng)該是以 e-/(w/m2) ·s)，它表征了像素收集光子的能力和進(jìn)行光子到電子轉(zhuǎn)換的效率， 只與像元尺寸和量子效率相關(guān)， 與圖像傳感器的其他設(shè)置無關(guān)，因此可以最客觀、科學(xué)的表征傳感器的靈敏度。在 emva1288 標(biāo)準(zhǔn)中采用 v/lux s·，需要注意的是電壓應(yīng)采用像素輸出電壓作為信號值（即圖二中的 v，而不是 v，通常

12、 v要遠(yuǎn)大于 v）。然而像素的輸出電壓與圖像傳感器的電子電壓轉(zhuǎn)換增益（ conversion gain）相關(guān)，轉(zhuǎn)換效率越高，靈敏度越高。因此如采用 v/lux s·表征靈敏度時(shí)，須明確是像素輸出電壓，并標(biāo)明轉(zhuǎn)化增益。由于 dn 為傳感器輸出的最終數(shù)字信號， 在不確定數(shù)字信號的放大倍數(shù)及模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換效率的情況下，一般不無法用 dn/(w/m2) ·s)來客觀的表示傳感器靈敏度。5) 暗噪聲（ dark noise）暗噪聲，又稱作時(shí)域暗噪聲或讀出噪聲， 是指像素在完全黑暗環(huán)境中、 最短曝光時(shí)間內(nèi)、幀與幀之間、 同一像素輸出的不一致性， 它表征了圖像傳感器對于微弱信號的極限探測能

13、力。如 scmos器件的暗噪聲為 1.5 個(gè)電子，量子效率為 50%，則該探測器的極限探測能力為 3個(gè)光子。當(dāng)有充足光照或光照條件可控， 暗噪聲就不再重要了， 因?yàn)樗鼤?huì)被光信號的散粒噪聲所淹沒。還以上述 scmos器件為例，光信號為 20000 個(gè)光子，有效光信號為 10000 個(gè)電子，對應(yīng) 100 個(gè)電子的散粒噪聲， 遠(yuǎn)超過 1.5 個(gè)電子的暗噪聲。這時(shí)圖像的信噪比將完全取決于光信號和光散粒噪聲。6) 滿阱容量（ full well capacity, fwc）滿阱是指像素所能收集并容納的電子個(gè)數(shù)的極限。 滿阱容量直接決定了圖像傳感器的最大信噪比。當(dāng)光信號足夠強(qiáng)，使得像素在較短曝光時(shí)間內(nèi)達(dá)到

14、滿阱時(shí)，信噪比最高。此時(shí)，噪聲被光信號的散粒噪聲（ ?）?主導(dǎo)，所以最大信噪比為snr max. = 20 × log ( ?)?=? 20 × log(?)因此： 在微光應(yīng)用和高速應(yīng)用中， 應(yīng)選取低暗噪聲和高靈敏度的圖像傳感器； 而在光照充足或?qū)τ谧畲笮旁氡扔忻鞔_要求的應(yīng)用，應(yīng)選取滿阱容量高的圖像傳感器。7) 動(dòng)態(tài)范圍（ dynamic range, d r）動(dòng)態(tài)范圍是圖像傳感器成像質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一， 表征了傳感器對強(qiáng)光和弱光同時(shí)分辨的能力。 圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍高，就可以探測更寬光強(qiáng)范圍內(nèi)的場景信息，圖像的細(xì)節(jié)更豐富。動(dòng)態(tài)范圍是滿阱與暗噪聲的比值，一般用分貝表示：d

15、r = 20 × log ( ? ?)?動(dòng)態(tài)范圍包括單幅動(dòng)態(tài)范圍 (intra-scene)和最大動(dòng)態(tài)范圍。單幅動(dòng)態(tài)范圍是在同一增益設(shè)置下滿阱容量和暗噪聲的比值； 而最大動(dòng)態(tài)范圍是芯片所能達(dá)到的最大滿阱與最小暗噪聲的比值。像素尺寸越大，滿阱越高，動(dòng)態(tài)范圍越高，圖像傳感器的光電性能越好。用戶需要注意區(qū)分“動(dòng)態(tài)范圍”和“最大信噪比”兩個(gè)參數(shù)，動(dòng)態(tài)范圍是滿阱除以暗噪聲、最大信噪比是滿阱除以達(dá)到滿阱光強(qiáng)時(shí)的光散粒噪聲， 因此探測器動(dòng)態(tài)范圍往往遠(yuǎn)大于最大信噪比。8) 暗電流（ dark current, d c）-/s/pix 。暗電流噪聲 暗電流為像素在單位時(shí)間內(nèi)受熱激發(fā)產(chǎn)生的電子的均值，單

16、位為 e- /s/pix ，曝 為在一定曝光時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的暗電流的平方根，例一個(gè)圖像傳感器的暗電流為 36e光時(shí)間為 100 秒，則暗電流為 3600e-，暗電流噪聲為 60e-。因此，隨著曝光時(shí)間的增加，暗電流噪聲會(huì)超越暗噪聲，對圖像質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。暗電流和傳感器的工作溫度關(guān)系密切。 因此對于長曝光時(shí)間應(yīng)用， 如天文觀測、 熒光成像等，一般會(huì)對圖像傳感器進(jìn)行制冷，使其工作溫度在零下 30 度左右；對于科學(xué)級應(yīng)用，甚至?xí)禍氐搅阆?70 度，以減小暗電流噪聲對圖像質(zhì)量的影響。二、 如何選擇合適的圖像傳感器圖像傳感器的選型是決定成像系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。 在選型時(shí)， 首先需要確定該成像系統(tǒng)的應(yīng)用及拍

17、攝環(huán)境參數(shù)，如所拍攝場景的大小及在該場景下需要解析的最小物體、拍攝距離、幀頻、 曝光時(shí)間、所拍攝場景內(nèi)光強(qiáng)范圍等。 由上述參數(shù)可確定圖像傳感器的分辨率、 像元尺寸、快門類型、幀頻和動(dòng)態(tài)范圍等關(guān)鍵光電參數(shù)。機(jī)器視覺應(yīng)用中，一般幀頻 >50fps，拍攝距離短，生產(chǎn)環(huán)境光強(qiáng)可控，曝光時(shí)間較短，一般采用全局快門圖像傳感器，除特殊應(yīng)用外，動(dòng)態(tài)范圍 60db 可以滿足大多數(shù)機(jī)器視覺的要求。在高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上應(yīng)用的機(jī)器視覺產(chǎn)品，對幀頻要求躲在 150-300fps 之間。由于機(jī)器視覺產(chǎn)品用量較大，對于芯片的價(jià)格有較高的要求。安防監(jiān)控和智能交通監(jiān)控應(yīng)用： 目前安防監(jiān)控和只能交通監(jiān)控應(yīng)用的主要趨勢是低照

18、度、星光級相機(jī)，主要關(guān)注夜晚成像分辨能力，以減少對 led照明/ 補(bǔ)光的依賴。這要求傳感器具有高靈敏度和低暗噪聲。 另外室外場景光強(qiáng)范圍寬， 對于圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍也有較高要求。該類應(yīng)用中，因?yàn)槎嗯臄z運(yùn)動(dòng)物體，一般采用全局快門芯片。長曝光時(shí)間應(yīng)用，如天文應(yīng)用、熒光成像等，要求像元尺寸較大，噪聲低、靈敏度高、并對傳感器的暗電流，尤其在深度制冷后的暗電流有較高要求，從而能夠采集微弱的生物光信號并得到信噪比較高的圖像。該類應(yīng)用中多采用卷簾快門。數(shù)字成像應(yīng)用： 如單反相機(jī)、 中畫幅相機(jī)等對傳感器的綜合性能要求較高、 一般采用卷簾快門芯片。數(shù)字成像對芯片的色彩還原度、 光角度相應(yīng)也有較高要求。因?yàn)闅v史

19、原因，數(shù)字成像行業(yè)往往沿用膠片攝影評價(jià)體系， 如 f-stop, iso等，一般不采用 emva1288 評價(jià)圖像傳感器芯片性能。航天航空應(yīng)用： 在航空或低軌航天應(yīng)用， 因?yàn)槲矬w在焦平面移動(dòng)速度較快， 因此往往采用全局快門芯片，或 tdi 芯片（時(shí)間延遲積分）成像。對高軌航天應(yīng)用，因?yàn)槟繕?biāo)物體在焦平面上尺寸較小且相對靜止， 也可以采用成像質(zhì)量更好的卷簾快門芯片。 某些對靈敏度要求高的應(yīng)用，如星敏感器，也采用卷簾快門芯片，如 onsemi 公司的 star系列產(chǎn)品。另外，航空航天應(yīng)用對器件的可靠性、抗輻照能力、功耗、微光或近紅外靈敏度、滿阱、響應(yīng)均勻度也有較高要求。三、 長光辰芯光電的 cmos

20、圖像傳感器及其應(yīng)用案例1) gsense系列產(chǎn)品gsense系列產(chǎn)品是長光辰芯光電自主設(shè)計(jì)開發(fā)的低噪聲、 高靈敏度、 高動(dòng)態(tài)范圍 cmos圖像傳感器。該系列下第一款產(chǎn)品 gsense400于 2014 年 5 月在北京光博會(huì)上推出，立即引起業(yè)界廣泛關(guān)注。 本系列下另外兩款產(chǎn)品 gsense2020和 gsense2011將于 2015 年 3 月在上海慕尼黑光電展上推出， 這兩款產(chǎn)品有望在機(jī)器視覺、 安防監(jiān)控和顯微成像領(lǐng)域得到大范圍應(yīng)用。 gsense系列產(chǎn)品主要性能指標(biāo)如下：表一： gsense系列芯片光電參數(shù)光電參數(shù) gsense400 gsense2020 gsense2011分辨率 2

21、048 x 2048 2048 x 2048 2048 x 1152像元大小 (微米 ) 11 6.5 6.5光學(xué)尺寸 (英寸 ) 2” 1.15 ” 1”快門類型 卷簾快門 全局/ 卷簾可選 全局/卷簾可選量子效率 60% 敬請關(guān)注-靈敏度 (e/(w/m2 . 8) s) 2.12 x 10上海慕尼黑光電展-暗噪聲 (e) 1.472015 年 3 月 17-19 日-滿阱 (ke) 91展位號 1332動(dòng)態(tài)范圍 (db) 96 (intra-scene)-oc 暗電流 (e /x/pix) 0.15 -20幀頻(fps) 48gsense400已在多個(gè)行業(yè)中開始應(yīng)用，如天文、醫(yī)療成像、熒

22、光成像、科學(xué)成像和高端安防監(jiān)控應(yīng)用等。其中，福州鑫圖光電使用 gsense400成功開發(fā)出世界領(lǐng)先的科學(xué)級制冷相機(jī) dhyana 400a。圖三是 dhyana 400a 相機(jī)照片，以及制冷到零下 20 度，曝光 10 秒拍攝的植物切片照片。a) b) c)圖三：a) 福州鑫圖光電科學(xué)級制冷相機(jī) dhyana 400a；b) dhyana 400a 采用 10 秒曝光時(shí)間拍攝的植物微弱熒光切片； c) 圖像細(xì)節(jié)2) gmax 系列產(chǎn)品gmax系列產(chǎn)品為長光辰芯光電自主設(shè)計(jì)開發(fā)的超高分辨率、 大靶面 cmos圖像傳感器。目前該系列共有 2 款芯片 gmax3005 和 gmax1205，分別對應(yīng)

23、 1.5 億像素分辨率和 6 千萬像素分辨率。 其中 gmax3005 是目前世界上分辨率最高的 cmos圖像傳感器。 gmax 系列產(chǎn)品的光電參數(shù)如表二所列：表二： gmax 系列芯片光電參數(shù)光電參數(shù) gmax3005 gmax1205分辨率 30000 x 5000 12000 x 5000像元大小 (微米) 5.5 5.5快門類型 卷簾快門 卷簾快門量子效率 43% (無微透鏡 ) 64%-靈敏度 (e/(w/m2 .7 5.58 x 107)s) 3.75 x 10-暗噪聲 (e) 3.9 2.9-滿阱(ke) 23 22動(dòng)態(tài)范圍 (db) 75.4 76.5幀頻 (fps) 10 10因采用 5.5 微米卷簾快門像素設(shè)計(jì)， gmax1205 具有優(yōu)秀的