1. CMOS傳感器的工作原理及基本功能

CMOS傳感器的工作原理及基本功能

滿足EMVA 1288標(biāo)準(zhǔn)的相機和傳感器的工作原理、基本功能及性能概述

工作原理

圖像傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)，將光子轉(zhuǎn)換為電荷。不同于CCD傳感器（電荷耦合器件），CMOS傳感器（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）可以直接將像元中的電荷轉(zhuǎn)換為電壓，此電壓經(jīng)放大和量化后終變成輸出的數(shù)字灰度值（DN）。

現(xiàn)代CMOS傳感器憑借高幀率和出色的圖像質(zhì)量從同類產(chǎn)品中脫穎而出。高性能工業(yè)相機中的CMOS傳感器可實現(xiàn)精+確的圖像分析，因此在很多應(yīng)用中，CCD傳感器都已被不斷進(jìn)步的CMOS技術(shù)所替代。

CMOS傳感器的基本功能與主要特性如下圖所示：

像元 / 定義

1)    滿阱容量 [e–] 與飽和容量 [e–]

將一個像元想象成一個阱，那么滿阱容量就是阱中可以儲存的大電子數(shù)，與之相對應(yīng)的是產(chǎn)生這些電子的大光子數(shù)（即飽和照度）。飽和容量通過不同的相機圖像直接測得，實際上用于描述相機特性。飽和容量通常小于滿阱容量。如果對比圖像傳感器數(shù)據(jù)和相機數(shù)據(jù)，上述差異可能會造成爭議。高飽和容量可實現(xiàn)更長的曝光時間。如果某個像元過曝，像元的DN值被設(shè)置成大并且不包含有用信息。

2)    靈敏度閾值（AST）[e–]

靈敏度閾值用于描述相機能夠?qū)⒄掌械挠杏脠D像信息從噪聲中區(qū)別出來所需要的少光子數(shù)（即小可檢測照度）。這意味著閾值越低，相機靈敏度越高。在極低光照應(yīng)用中，應(yīng)將靈敏度閾值考慮在內(nèi)。這比僅僅參考量子效率（QE）更有意義，因為靈敏度結(jié)合了量子效率、暗噪聲以及因光子的量子特性而造成的散粒噪聲。靈敏度閾值可用信噪比（SNR）來定義，即為滿足SNR=1（信號等同于噪聲）時的光子數(shù)均值。

3)    顳暗噪聲[e–]

即便傳感器處于沒有光照的情況下，每個像元也能生成一個（暗）信號。隨著曝光時間延長以及溫度升高，每個像元在無光條件下都會產(chǎn)生電子。這種暗信號被稱為“暗噪聲”（單位為e–），它并不是一個固定值。大部分應(yīng)用都傾向于低暗噪。暗噪聲、散粒噪聲及量化噪聲便構(gòu)成了相機的噪聲。

4)   動態(tài)范圍 [dB]

動態(tài)范圍（DR）是飽和照度與小可檢測照度的比值，單位為dB。如果圖像中同時存在黑暗和明亮區(qū)域，具有高動態(tài)范圍的相機可以提供更詳細(xì)的信息。因此，在涉及此類圖像或者光照條件快速變化的應(yīng)用中，高動態(tài)范圍尤其重要。

圖像傳感器/相機的物理模型

5)    量子效率[%]

圖像傳感器將光子轉(zhuǎn)換為電子，其轉(zhuǎn)換效率（或量子效率）取決于波長。傳感器的光電轉(zhuǎn)換效率越高，其感光度就越高，圖像能夠提供的信息也更多。相機的測量值與圖像傳感器的供應(yīng)商數(shù)據(jù)可能有所不同，因為相機可能會使用玻璃蓋或濾光鏡。

6)    大信噪比（SNRmax）[dB]

信噪比是（經(jīng)暗場校正后的）灰度值與信號噪聲的比值，單位通常為dB，主要取決于增益K和暗噪聲。信噪比隨光子數(shù)的增加而增加，在飽和照度下達(dá)到大值（SNRmax）。

7)   增益K（DN/e–）

相機將圖像傳感器中的電子（e–）轉(zhuǎn)換為數(shù)字灰度值（DN）。這一轉(zhuǎn)換過程可通過系統(tǒng)總增益K來描述，單位為“DN/e–”，即灰度每提高1個DN需要轉(zhuǎn)換K個電子，而K值取決于相機的設(shè)計。增益K的小幅增加可能提高線性度，同時犧牲飽和容量。

性能概述和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

為了幫助相機制造商提高產(chǎn)品性能，歐洲機器視覺協(xié)會的《EMVA 1288標(biāo)準(zhǔn)》對工業(yè)圖像處理應(yīng)用中的圖像傳感器與相機的物體測量及分類方法進(jìn)行了統(tǒng)一定義。 

如需了解LX、CX及EX系列相機的性能及其所用傳感器的相關(guān)信息，請參閱堡盟的《EMVA 1288標(biāo)準(zhǔn)》手冊。傳感器特性使用經(jīng)校準(zhǔn)后的ACC3（AEON相機校準(zhǔn)器工具）進(jìn)行測定，符合EMVA 1288標(biāo)準(zhǔn)。如需查看量子效率、暗噪聲、飽和容量或動態(tài)范圍等參數(shù)，請參閱數(shù)據(jù)表。

產(chǎn)品系列

高速可靠的相機–采用*CMOS傳感器

工業(yè)相機

• 像素高達(dá)2000萬，幀率高達(dá)891fps
• Sony Pregius和STARVIS, ON Semiconductor PYTHON
• 全局和卷簾快門傳感器
• GigE Vision, USB3 Vision
• 29 × 29 mm，40 × 40 mm

在產(chǎn)品選擇器中打開

相機集成了各種基本功能，以滿足成本敏感型應(yīng)用的需求

工業(yè)相機

• 像素高達(dá)1,000萬，幀率高達(dá)217 fps
• Sony、ON Semiconductor
• 全局和卷簾快門傳感器
• GigE Vision, USB3 Vision
• 29 × 29 mm

在產(chǎn)品選擇器中打開

堅固耐用的高分辨率高速相機

工業(yè)相機

• 像素高達(dá)4800萬，幀率高達(dá)1594 fps
• ams (CMOSIS), ON Semiconductor PYTHON, Sony Pregius
• 全局快門傳感器
• GigE Vision, 10 GigE Vision, Camera Link
• 60 × 60 mm