圖像傳感器的主要光電參數有哪些？

圖像傳感器可将光信号轉化為電信号，其光電參數直接決定了成像品質，是所有成像裝置中的核心關鍵器件。圖像傳感器分為 CCD器件和CMOS 器件。CMOS圖像傳感器在幀頻、內建度、可靠性、功耗和成本等方面優勢明顯。随着 CMOS 技術的不斷進步，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、醫療、和科研應用中逐漸取代 CCD，成為主流圖像傳感技術。

無論是 CMOS 或 CCD 圖像傳感器，其光電參數都可依據業界成熟的 EMVA1288 标準進行評價。

圖像傳感器的主要光電參數

CMOS 和 CCD 圖像傳感器的性能名額可分為光學名額和電學名額，而其成像品質主要取決于以下光學名額：

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）

動态範圍（Dynamic Range, DR）

暗電流（Dark Current, DC）

除上述光學名額外，圖像傳感器的電學名額，如幀頻、功耗、輸出格式及資料率也是設計成像系統時需要考慮的重要名額。

1、分辨率及像元尺寸

像傳感器的感光區是由多個像元排列的一維或二維矩陣，其中像元（或像素）為單個感光單元。圖像傳感器的分辨率通常由該矩陣的橫縱方向的像元數表示，如 1920 x 1080，或由其乘積表示，如 2 百萬分辨率(2MP)。

元尺寸為每個像元的實體尺寸，即相鄰像元中心的間距。像元尺寸越大，能收集到的光子數越多，晶片靈敏度越高，意味着在同樣的光照條件下和曝光時間内，晶片能收集到的有效信号越多。在光強可控的工業應用中，像元尺寸一般在 4.5-6.5 微米之間；而在微光應用中，像元尺寸多在 10 微米到 24 微米之間，以保證足夠的靈敏度，提升圖像信噪比；在 X射線成像應用中，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，像元尺寸越大，滿阱越高、動态範圍越大，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，晶片面積越大，晶片的成本和價格也會随着像元尺寸成平方關系增長。

圖像傳感器的光學尺寸（Optical Format）是指圖像傳感器感光區域對角線的長度，一般用英寸表示。由于幾乎所有的工業鏡頭都按照傳感器的光學尺寸來進行分類，它是圖像傳感器最常用的名額之一。由于曆史原因，1”圖像傳感器的對角線長度為 16 毫米（而不是我們一般認為的 25.4 毫米）。例如，主流工業應用的圖像傳感器為 2/3”，其感光區域對角線長度為 10.7mm。

2、快門類型

MOS 圖像傳感器片上內建電子快門，根據像素設計的不同，分為全局快門和卷簾快門。使用全局快門晶片時，所有像素同時開始曝光并同時結束，可捕捉高速運動物體的瞬時狀态。

2.1全局快門：在全局快門像素設計中，每個像素中必須內建一個信号存儲單元。當曝光結束後，每個像素将其所捕捉的信号轉移至各自的存儲單元中，然後逐行讀出。

于在像素内內建存儲單元需要相對複雜的電路結構，降低了像素内有效感光面積，是以全局快門 CMOS 圖像傳感器一般噪聲較高、靈敏度和動态範圍較低，如 Sony IMX174 的讀出噪聲為 7 個電子，CMOSIS 的 CMV 系列讀出噪聲為 13 個電子。

2.2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間點發生的，但是所有像素的實際曝光時間是相等的。因卷簾快門像素内沒有存儲單元，曝光結束後，信号必須被馬上讀出。因為傳感器無法在同一時刻讀出所有行的信号，是以曝光須逐行停止、逐行讀出。為了保證每行像素的曝光時間相同，是以每行的開始曝光時間也需要順移。