CMOS圖像傳感器指標(biāo)詳解

InfoRich 2023-01-08 發(fā)布于江蘇

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來源丨新機(jī)器視覺

CMOS圖像傳感器本質(zhì)是一塊芯片，主要包括：感光區(qū)陣列（像素陣列）、時(shí)序控制、模擬信號(hào)處理以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等模塊。

本文簡(jiǎn)單總結(jié)了CMOS圖像傳感器的主要指標(biāo)。

Resolution （Number of Pixels）分辨率/像素?cái)?shù)量

MP：megapixel，兆像素（百萬像素）

常見的有0.3M、1M、2M、5M、13M、20M、40M、100M（1億像素）等。

像素?cái)?shù)量和分辨率是兩個(gè)密不可分的重要概念，它們的組合方式?jīng)Q定了圖像的數(shù)據(jù)量，同樣大小的圖像，分辨率越高，包含的像素越多。

像素總數(shù)是指所有像素的總和，像素總數(shù)是衡量CMOS圖像傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)之一。CMOS圖像傳感器的總體像素中被用來進(jìn)行有效的光電轉(zhuǎn)換并輸出圖像信號(hào)的像素為有效像素。有效像素總數(shù)隸屬于像素總數(shù)集合。有效像素?cái)?shù)目直接決定了CMOS圖像傳感器的分辨能力。

上圖是SONY一款20M CMOS圖像傳感器的像素?cái)?shù)量，分別給出了總的像素總數(shù)、有效的像素總數(shù)。

Optical Format 光學(xué)尺寸

光學(xué)尺寸越大，則成像系統(tǒng)的尺寸越大，捕獲的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。

目前CMOS圖像傳感器的常見尺寸有1、2/3、1/2、1/3、1/4英寸等。

Pixel Size 像素尺寸

芯片像元陣列上的每個(gè)像素的實(shí)際物理尺寸，通常的尺寸包括14um、10um、9um、7um、6.45um、3.75um、3.0um、2.0um、1.75um、1.4um、1.2um、1.0um等。

像元尺寸從某種程度上反映了芯片的對(duì)光的響應(yīng)能力，像元尺寸越大，能夠接收到的光子數(shù)量越多，在同樣的光照條件和曝光時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電荷數(shù)量越多。

對(duì)于弱光成像而言，像元尺寸是芯片靈敏度的一種表征。

Output Format 輸出格式

（1）RAW（或RAW RGB）

CMOS圖像傳感器輸出的原始圖像格式是RAW。

RAW圖像就是CMOS圖像感應(yīng)器將捕捉到的光源信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的原始數(shù)據(jù)。RAW文件是一種記錄了數(shù)碼相機(jī)傳感器的原始信息，同時(shí)記錄了由相機(jī)拍攝所產(chǎn)生的一些原數(shù)據(jù)（Metadata，如ISO的設(shè)置、快門速度、光圈值、白平衡等）的文件。RAW是未經(jīng)處理、也未經(jīng)壓縮的格式，可以把RAW概念化為“原始圖像編碼數(shù)據(jù)”或更形象的稱為“數(shù)字底片”。

（2）RGB

從RAW到RGB格式。RGB格式有

RGB565：每個(gè)像素用16位表示，RGB分量分別使用5位、6位、5位（常用也就是上說的RGB）

RGB555：每個(gè)像素用16位表示，RGB分量都使用5位（剩下1位不用）

RGB24：每個(gè)像素用24位表示，RGB分量各使用8位

RGB32：每個(gè)像素用32位表示，RGB分量各使用8位（剩下8位不用）

ARGB32：每個(gè)像素用32位表示，RGB分量各使用8位（剩下的8位用于表示Alpha通道值）。

（3）YUV

YUV三個(gè)字母中，其中'Y'表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰度值；而'U'和'V'表示的則是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及飽和度，用于指定像素的顏色。YUV存儲(chǔ)格式有兩大類：planar（平面格式）和packed（打包格式）。

Max Frame Rate 最大幀率

幀率指的是單位時(shí)間所記錄或者播放的圖片的數(shù)量，連續(xù)播放一系列圖片就會(huì)產(chǎn)生動(dòng)畫效果，根據(jù)人類的視覺系統(tǒng)，當(dāng)圖片的播放速度大于15幅/秒的時(shí)候，人眼就基本看不出來圖片的跳躍；在達(dá)到24幅/s～30幅/s時(shí)就已經(jīng)基本覺察不到閃爍現(xiàn)象了。

每秒的幀數(shù)或者幀率表示CMOS圖像傳感器在處理圖像時(shí)每秒鐘能夠更新的次數(shù)。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的視覺體驗(yàn)。

Output Interface 輸出接口

MIPI: 移動(dòng)行業(yè)處理器接口，是MIPI聯(lián)盟發(fā)起的為移動(dòng)應(yīng)用處理器制定的開放標(biāo)準(zhǔn)。串行數(shù)據(jù)，速度快，抗干擾，主流輸出接口。
LVDS：低壓差分信號(hào)技術(shù)接口。
DVP：并口傳輸，速度較慢，傳輸?shù)膸挼汀?br>Parallel：并行數(shù)據(jù)，含12位數(shù)據(jù)信號(hào)，行場(chǎng)同步信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)。
HISPI:高速像素接口，串行數(shù)據(jù)。
SLVS-EC: 由 SONY 公司定義，用于高幀率和高分辨率圖像采集，它可以將高速串行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 DC（Digital Camera）時(shí)序后傳遞給下一級(jí)模塊 VICAP（Video Capture）。SLVS-EC 串行視頻接口可以提供更高的傳輸帶寬，更低的功耗，在組包方式上，數(shù)據(jù)的冗余度也更低。在應(yīng)用中 SLVS-EC 接口提供了更加可靠和穩(wěn)定的傳輸。

CRA 主光線角度

從鏡頭的傳感器一側(cè)，可以聚焦到像素上的光線的最大角度被定義為主光角（CRA），鏡頭軸心線附近接近零度，與軸心線的距離越大，角度也隨之增大。CRA與像素在傳感器的位置是相關(guān)的。

如果lens的CRA小于CMOS Sensor的CRA，一定會(huì)有偏色現(xiàn)象。lens的CRA一般略大于CMOS Sensor的CRA。

Sensitivity 靈敏度

靈敏度是CMOS圖像傳感器的重要參數(shù)之一。

它具有兩種物理意義，一種是光器件的光電轉(zhuǎn)換能力，與響應(yīng)率的意義相同，即芯片的靈敏度，指在一定的光譜范圍內(nèi)，單位曝光量的輸出信號(hào)電壓（電流），單位可以為nA/Lux（納安/勒克斯）、V/W（伏/瓦）、V/Lux（伏/勒克斯）、V/lm（伏/流明）。另一種是指器件所能傳感的對(duì)地輻射功率（或照度），與探測(cè)率的意義相同，單位可用W（瓦）或Lux（勒克斯）表示。

Sensitivity常作為sensor暗光表現(xiàn)的常用指標(biāo)。

Dynamic Range 動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍由CMOS圖像傳感器的信號(hào)處理能力和噪聲決定，反映了CMOS圖像傳感器的工作范圍。

FWC（Full-Well Capacity），光電二極管的電容能夠積累的最大電荷量稱為滿阱容量。

上式主要指的是Sensor本身的動(dòng)態(tài)范圍，最終成像的動(dòng)態(tài)范圍要涉及到ISP等處理過程，公式更復(fù)雜。

SNR 信噪比

噪聲是影響CMOS傳感器性能的首要問題。

SNR是用來衡量sensor某一時(shí)刻輸出的圖片質(zhì)量，并不是表達(dá)sensor能力。

噪聲包括固定圖形噪聲FPN（Fixed pattern noise）、暗電流噪聲、熱噪聲等。固定圖形噪聲產(chǎn)生的原因是一束同樣的光照射到兩個(gè)不同的像素上產(chǎn)生的輸出信號(hào)不完全相同。對(duì)付固定圖形噪聲可以應(yīng)用雙采樣或相關(guān)雙采樣技術(shù)。

動(dòng)態(tài)范圍和信噪比是最容易被誤解和誤用的參數(shù)。動(dòng)態(tài)范圍是最大勢(shì)阱容量和最低讀出噪聲的比值，它之所以引起誤解，是因?yàn)樽x出噪聲經(jīng)常不是在典型的運(yùn)行速度下測(cè)得的，而且暗電流散粒噪聲也常常沒有被計(jì)算在內(nèi)。

信噪比主要決定于入射光的亮度級(jí)（事實(shí)上，在亮度很低的情況下，噪聲可能比信號(hào)還要大）。所以，信噪比應(yīng)該將所有的噪聲源都考慮在內(nèi)，有些資料中常常忽略散粒噪聲，而它恰恰是中、高信號(hào)電平的主要噪聲來源。

Spectral Response Characteristic光譜響應(yīng)特性

CMOS圖像傳感器的信號(hào)電壓Vs和信號(hào)電流Is是入射光波長λ的函數(shù)。光譜響應(yīng)特性就是指CMOS圖像傳感器的響應(yīng)能力隨波長的變化關(guān)系,它決定了CMOS圖像傳感器的光譜范圍。

Chroma 色彩濾波陣列

常見的色彩濾波陣列：

RGGB：一個(gè)紅光、一個(gè)藍(lán)光、兩個(gè)綠光濾波器。

每個(gè)像素只能感應(yīng)一種顏色的光，但是當(dāng)對(duì)外輸出的時(shí)候，需要知道這個(gè)像素的RGB值，就只能通過周圍像素去計(jì)算，這個(gè)計(jì)算和轉(zhuǎn)換是靠ISP去完成的，進(jìn)而得出這個(gè)像素的RGB的值。這樣每個(gè)像素雖然只感應(yīng)了一種光，但是每個(gè)像素經(jīng)過處理后傳輸?shù)酵饷婧缶褪怯蠷GB的信息了。這些原始的感光數(shù)據(jù)成為RAW data。

RCCC：75% 為透射，其余 25% 為只感受紅光的濾波器。

RCCC 的優(yōu)點(diǎn)是光靈敏度高，適用于弱光環(huán)境。由于 RCCC 只有紅色光濾波器，因此主要用在對(duì)于紅色標(biāo)識(shí)敏感的場(chǎng)合，比如交通燈檢測(cè)。

RCCB：50% 為透射，其余紅光藍(lán)光濾波器各占 25%。

RCCB 的弱光敏感性比 RCCC 稍差，但分辨色彩的能力更好，采集的圖像既可以用于機(jī)器分析，也可以用于人眼觀察。

Mono：100% 透射。

Mono不能分辨色彩。Mono 配置的弱光靈敏度最高，僅用于對(duì)顏色無識(shí)別要求的場(chǎng)合，如駕駛員狀態(tài)檢測(cè)等。

RGB NIR：

把RGGB中的一個(gè)G換成了NIR。

Shutter 快門

Global Shutter（全局快門）與RollingShutter（卷簾快門）對(duì)應(yīng)全局曝光和卷簾曝光模式。

卷簾快門逐行曝光的方式，全局快門是全部像素同時(shí)曝光，所以全局快門能夠拍運(yùn)動(dòng)的物體而不產(chǎn)生形變，因?yàn)槿挚扉T在每一個(gè)像素上添加了一個(gè)存儲(chǔ)單元。

Package 封裝

CSP: 芯片級(jí)封裝，芯片感光面被一層玻璃保護(hù)，CSP對(duì)灰塵點(diǎn)要求相對(duì)低點(diǎn) sensor表面如果還有灰塵點(diǎn)可以返工修復(fù)，制程設(shè)備成本較低、制程時(shí)間短，但是光線穿透率不佳、價(jià)格較貴、高度較高、背光穿透鬼影現(xiàn)象。

COB: 將裸芯片用導(dǎo)電或非導(dǎo)電膠粘附在互連基板上，然后進(jìn)行引線鍵合實(shí)現(xiàn)其電連接。COB可將鏡片、感光芯片、ISP以及軟板整合在一起，封裝測(cè)試后可直接交給組裝廠，但是制作過程中容易遭受污染，對(duì)環(huán)境要求較高，制程設(shè)備成本較高、良品率變動(dòng)大、制程時(shí)間長，無法維修等。

BGA: 球形觸點(diǎn)陳列，表面貼裝型封裝。球柵網(wǎng)格陣列封裝.
LGA: 平面網(wǎng)格陣列封裝.
PGA: 插針網(wǎng)格陣列封裝.

Fan-out：扇出晶圓級(jí)封裝。
PLCC：帶引線的塑料芯片載體.表面貼裝型封裝。

Pixel Technology 像素技術(shù)

FSI（Front side illumination）：前照式, 光是從前面的金屬控制線之間進(jìn)入，然后再聚焦在光電檢測(cè)器上。

BSI（Back side illumination）：背照式，光線從背面入射進(jìn)入感光區(qū)，無需穿過金屬互連層。

BSI在低照條件下的成像亮度和清晰度都比FSI有更大的優(yōu)勢(shì)。
傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器是FSI，自上而下分別是透鏡層、濾色片層、線路層、感光元件層。采取這個(gè)結(jié)構(gòu)時(shí)，光線到達(dá)感光元件層時(shí)必須經(jīng)過線路層的開口，這里易造成光線損失。

而BSI把感光元件層換到線路層的上面，感光層只保留了感光元件的部分邏輯電路，這樣使光線直接的進(jìn)入感光元件層，減少了光線損失。因此在同一單位時(shí)間內(nèi)，單像素能獲取的光能量更大，對(duì)畫質(zhì)有明顯的提升。不過BSI的芯片生產(chǎn)工藝難度加大，良率下降，成本相對(duì)高一點(diǎn)。

堆棧式（stack）：堆棧式是在背照式上的一種改良，是將所有的線路層挪到感光元件的底層，使開口面積得以最大化，同時(shí)縮小了芯片的整體面積。對(duì)產(chǎn)品小型化有幫助。另外，感光元件周邊的邏輯電路移到底部之后，理論上看邏輯電路對(duì)感光元件產(chǎn)生的效果影響就更小，電路噪聲抑制得以優(yōu)化，整體效果應(yīng)該更優(yōu)。相同像素的堆棧式芯片的物理尺寸是比背照式芯片的要小的。但堆棧式的生產(chǎn)工藝更大，良率更低，成本更高。

Quad Bayer陣列（四合一像素技術(shù)）：就是將四個(gè)同色像素排列在一起，形成一個(gè)大的像素，

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來自： InfoRich > 《攝像頭硬件》

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