CMOS图像传感器关键指标解析—技术与应用频道- 视觉系统设计

CMOS图像传感器，本质上是一种集成电路芯片，其核心组件包含感光区阵列（即像素阵列），以及时序控制、模拟信号处理和模数转换等关键模块。

本文简要概述了CMOS图像传感器的主要性能指标。其中，分辨率或像素数量是一个核心指标，通常以MP（兆像素）为单位，如0.3M、1M、2M等，这些数值代表了传感器能够捕捉到的图像细节量。分辨率越高，图像包含的像素细节就越多，从而影响到图像的整体质量。此外，有效像素数目也是衡量CMOS图像传感器性能的重要指标之一，它直接决定了传感器的实际分辨能力。

上图展示了SONY一款20M CMOS图像传感器的像素详情，其中明确了总的像素数和有效像素数。此外，还介绍了光学尺寸、像素尺寸以及输出格式等关键概念。

光学尺寸直接影响成像系统的尺寸和感光性能。尺寸越大，捕获的光子越多，从而提升感光性能并降低信噪比。常见的CMOS图像传感器尺寸有1、2/3、1/2、1/3、1/4英寸等。

像素尺寸则反映了芯片对光的响应能力。尺寸越大，接收到的光子数量越多，在相同条件下产生的电荷数量也越多。这对于弱光成像而言尤为重要，因为像元尺寸在一定程度上决定了芯片的灵敏度。

输出格式方面，CMOS图像传感器主要采用RAW和RGB两种格式。RAW格式保留了传感器捕捉到的原始数据，包括由相机拍摄所产生的元数据，如ISO设置、快门速度等。未经处理和压缩的RAW文件，可以视为“原始图像编码数据”或“数字底片”。而RGB格式则是一种更常见的图像输出方式。

从RAW到RGB格式转换。RGB格式有多种变体，如RGB565、RGB555、RGB24、RGB32和ARGB32。这些格式在每位像素所使用的位数以及是否包含Alpha通道值方面有所不同。

此外，我们还介绍了YUV格式，它由亮度分量"Y"和色度分量"U"和"V"组成。YUV格式常用于视频编码和传输，因其能够有效地分离亮度信息和色度信息，从而减少数据量。

另外，帧率也是影响图像质量的重要因素。帧率表示单位时间内记录或播放的图片数量，当帧率超过一定阈值时，人眼就基本察觉不到图片的跳跃或闪烁。因此，高的帧率能够带来更流畅、更逼真的视觉体验。最后，我们还探讨了CMOS图像传感器的输出接口选项。MIPI是一种为移动应用处理器制定的开放标准，具有高速串行数据传输的特点，是目前主流的输出接口之一。其他选项还包括LVDS、DVP、Parallel和HISPI等，每种接口都有其特定的应用场景和优势。

SLVS-EC：这是SONY公司为高帧率与高分辨率图像采集而定义的一种接口。它能够把高速串行数据转化为DC（Digital Camera）时序，并传送给VICAP（Video Capture）模块。这种串行视频接口不仅提供更高的传输带宽，还降低了功耗，并且数据冗余度更低，确保了更可靠、更稳定的传输。

主光线角度（CRA）：它描述了从镜头传感器一侧，光线聚焦到像素上的最大角度。CRA在镜头轴心线附近接近零度，随着与轴心线距离的增大，角度也会相应增加。CRA与像素在传感器上的位置紧密相关，若lens的CRA小于CMOS Sensor的CRA，则可能出现偏色。通常，lens的CRA会略大于CMOS Sensor的CRA。

灵敏度（Sensitivity）：这是CMOS图像传感器的重要参数之一，具有两种物理意义。一是光电器件的光电转换能力，即单位曝光量下的输出信号电压或电流；二是器件所能感知的对地辐射功率或照度。灵敏度常被用作衡量sensor在暗光条件下的性能指标。

动态范围（Dynamic Range）：它反映了CMOS图像传感器的工作范围，由信号处理能力和噪声共同决定。

FWC（Full-Well Capacity），即光电二极管的满阱容量，代表了其能够积累的最大电荷量。这一指标主要反映了Sensor本身的动态范围。然而，实际成像的动态范围不仅取决于Sensor，还受到ISP等后续处理过程的影响，因此涉及到的公式更为复杂。

SNR（信噪比）是评估CMOS传感器性能的重要指标之一，而噪声问题则是影响其性能的关键因素。

SNR（信噪比）并非仅用于评估sensor的单一能力，而是衡量其在某一特定时刻所输出图片的质量。

噪声，如固定图形噪声FPN、暗电流噪声以及热噪声等，是影响图片质量的重要因素。固定图形噪声源于一束光线照射到不同像素上产生的输出信号差异，而双采样或相关双采样技术则能有效应对这一问题。同时，动态范围和信噪比作为评估图像质量的关键参数，也常被误解。动态范围是最大势阱容量与最低读出噪声的比值，其计算需考虑暗电流散粒噪声等因素。而信噪比，主要受入射光亮度级影响，特别是在低亮度环境下，噪声可能超越信号本身。因此，在评估图像质量时，应全面考虑各种噪声源。

此外，CMOS图像传感器的光谱响应特性也至关重要。其信号电压和信号电流随入射光波长的变化而变化，这一特性决定了传感器能够感应的光谱范围。同时，色彩滤波阵列（如RGGB模式）则负责将感应到的光信号转换为RGB值，以供后续处理和输出。这些原始的感光数据经过处理后，成为具有RGB信息的RAW data，从而确保了图像的完整性和准确性。

RCCC（红色、绿色、蓝色和透明四色滤光器中的红色部分）设计为75%透射，而剩余的25%则专为感受红光而设计。这种配置赋予了RCCC在弱光环境中高灵敏度的优势。由于其专注于红色光滤波，RCCC特别适用于那些对红色标识反应敏感的应用场景，例如交通灯的检测。

RCCB的设计中，50%的透射率与剩余的25%红光和蓝光滤波器相结合，为其提供了相较于RCCC稍差的弱光敏感度，但同时也赋予了它更出色的色彩分辨能力。因此，通过RCCB采集的图像不仅适用于机器分析，同样也能满足人眼观察的需求。

Mono模式具有100%的透射率，因此无法分辨色彩。Mono配置以其卓越的弱光灵敏度脱颖而出，特别适用于那些对颜色无特定识别要求的场合，例如驾驶员状态的监测等。

RGB NIR：

通过将RGGB中的绿色像素替换为近红外（NIR）像素，实现了RGB NIR的配置。

快门（Shutter）

全局快门（Global Shutter）与卷帘快门（Rolling Shutter）是两种不同的曝光模式。卷帘快门是逐行曝光，而全局快门则是所有像素同时曝光。这使得全局快门在拍摄运动物体时能够避免形变，因为它在每个像素上都添加了一个存储单元。

封装（Package）

CSP（芯片级封装）是将芯片的感光面用玻璃保护起来的一种方式。这种封装方式对灰尘点的要求相对较低，如果sensor表面有灰尘点，还可以进行返工修复。其制程设备成本较低，制程时间也较短。然而，光线穿透率不佳、价格相对较高、封装高度较高以及可能出现的背光穿透鬼影现象是其不足之处。

另一方面，COB（Chip On Board）技术是将裸芯片通过导电或非导电胶粘附在互连基板上，然后进行引线键合以实现电连接。这种技术可以将镜片、感光芯片、ISP以及软板整合在一起，封装测试后即可直接交付给组装厂。但需要注意的是，其制作过程中容易受到污染，对环境的要求较高。此外，其制程设备成本也较高，良品率存在变动，制程时间较长，且一旦封装无法维修。

封装类型

BGA（球形触点陈列）：一种表面贴装型封装技术，其特点是通过球形触点进行连接，形成网格阵列布局。

LGA（平面网格阵列）：采用平面网格设计，通过直接接触的方式实现芯片与基板的连接。

PGA（插针网格阵列）：利用插针和网格阵列进行连接，适用于需要高密度连接的场合。

Fan-out晶圆级封装：一种先进的封装技术，通过扇出晶圆上的连接点，实现高密度、高性能的连接。

PLCC（带引线的塑料芯片载体）：一种带引线的塑料封装，常用于表面贴装型封装，提供稳定的电气性能。

像素技术

FSI（前照式）：其特点是光线从金属控制线之间的前方进入，之后聚焦于光电检测器上。

BSI（背照式）：与FSI相反，BSI技术允许光线从感光区的背面直接入射，从而避免了光线穿过金属互连层的损耗。

BSI技术在低光照条件下的成像亮度和清晰度相较于FSI技术具有显著优势。这得益于其独特的设计，将感光元件层移至线路层之上，从而使得光线能够更直接地到达感光元件，减少了光线在传输过程中的损耗。因此，在相同的时间内，每个像素能够捕获更多的光能，进而显著提升画质。然而，BSI技术的芯片生产工艺更为复杂，良率有所下降，相应的成本也略有增加。

此外，堆栈式技术是对背照式的进一步改进。它通过将所有线路层移至感光元件的底层，不仅最大化了开口面积，还有利于芯片的小型化。同时，感光元件周边的逻辑电路移至底部后，对感光元件的影响被降至最低，从而优化了电路噪声抑制效果，进一步提升了整体性能。值得注意的是，相同像素的堆栈式芯片在物理尺寸上比背照式芯片更小。但遗憾的是，堆栈式的生产工艺更为复杂，良率相对较低，因此成本也相对较高。

Quad Bayer阵列（四合一像素技术）是一种特殊的像素排列方式，它将四个同色像素紧密地组合在一起，共同构成一个大型的像素单元。这种设计在一定程度上提高了图像的分辨率和清晰度，同时也为后续的图像处理提供了更多的灵活性和可能性。然而，需要注意的是，这种四合一像素技术可能会在一定程度上降低图像的色彩饱和度，因此在某些应用场景下需要权衡利弊。