一文解析CMOS圖像傳感器的主要指標

CMOS圖像傳感器本質是一塊芯片，主要包括：感光區陣列（像素陣列）、時序控制、模擬信號處理以及模數轉換等模塊。

本文簡單總結了CMOS圖像傳感器的主要指標。 ?

Resolution?（Number of Pixels）分辨率/像素數量

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。像素數量和分辨率是兩個密不可分的重要概念，它們的組合方式決定了圖像的數據量，同樣大小的圖像，分辨率越高，包含的像素越多。像素總數是指所有像素的總和，像素總數是衡量CMOS圖像傳感器的主要技術指標之一。CMOS圖像傳感器的總體像素中被用來進行有效的光電轉換并輸出圖像信號的像素為有效像素。有效像素總數隸屬于像素總數集合。有效像素數目直接決定了CMOS圖像傳感器的分辨能力。 ?

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

Optical Format?光學尺寸

光學尺寸越大，則成像系統的尺寸越大，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像素的實際物理尺寸，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光的響應能力，像元尺寸越大，能夠接收到的光子數量越多，在同樣的光照條件和曝光時間內產生的電荷數量越多。對于弱光成像而言，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圖像感應器將捕捉到的光源信號轉化為數字信號的原始數據。RAW文件是一種記錄了數碼相機傳感器的原始信息，同時記錄了由相機拍攝所產生的一些原數據（Metadata，如ISO的設置、快門速度、光圈值、白平衡等）的文件。RAW是未經處理、也未經壓縮的格式，可以把RAW概念化為“原始圖像編碼數據”或更形象的稱為“數字底片”。（2）RGB 從RAW到RGB格式。RGB格式有 RGB565：每個像素用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：每個像素用16位表示，RGB分量都使用5位（剩下1位不用） RGB24：每個像素用24位表示，RGB分量各使用8位 RGB32：每個像素用32位表示，RGB分量各使用8位（剩下8位不用） ARGB32：每個像素用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

幀率指的是單位時間所記錄或者播放的圖片的數量，連續播放一系列圖片就會產生動畫效果，根據人類的視覺系統，當圖片的播放速度大于15幅/秒的時候，人眼就基本看不出來圖片的跳躍；在達到24幅/s～30幅/s時就已經基本覺察不到閃爍現象了。每秒的幀數或者幀率表示CMOS圖像傳感器在處理圖像時每秒鐘能夠更新的次數。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的視覺體驗。 ?

Output Interface?輸出接口

MIPI:?移動行業處理器接口，是MIPI聯盟發起的為移動應用處理器制定的開放標準。串行數據，速度快，抗干擾，主流輸出接口。 LVDS：低壓差分信號技術接口。 DVP：并口傳輸，速度較慢，傳輸的帶寬低。 Parallel：并行數據，含12位數據信號，行場同步信號和時鐘信號。 HISPI:高速像素接口，串行數據。 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據轉化為 DC（Digital Camera）時序后傳遞給下一級模塊 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，數據的冗余度也更低。在應用中 SLVS-EC 接口提供了更加可靠和穩定的傳輸。 ?

CRA?主光線角度

從鏡頭的傳感器一側，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的。如果lens的CRA小于CMOS Sensor的CRA，一定會有偏色現象。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之一。它具有兩種物理意義，一種是光器件的光電轉換能力，與響應率的意義相同，即芯片的靈敏度，指在一定的光譜范圍內，單位曝光量的輸出信號電壓（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地輻射功率（或照度），與探測率的意義相同，單位可用W（瓦）或Lux（勒克斯）表示。 Sensitivity常作為sensor暗光表現的常用指標。 ?

Dynamic Range?動態范圍

動態范圍由CMOS圖像傳感器的信號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本身的動態范圍，最終成像的動態范圍要涉及到ISP等處理過程，公式更復雜。 ?

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某一時刻輸出的圖片質量，并不是表達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。固定圖形噪聲產生的原因是一束同樣的光照射到兩個不同的像素上產生的輸出信號不完全相同。對付固定圖形噪聲可以應用雙采樣或相關雙采樣技術。動態范圍和信噪比是最容易被誤解和誤用的參數。動態范圍是最大勢阱容量和最低讀出噪聲的比值，它之所以引起誤解，是因為讀出噪聲經常不是在典型的運行速度下測得的，而且暗電流散粒噪聲也常常沒有被計算在內。信噪比主要決定于入射光的亮度級（事實上，在亮度很低的情況下，噪聲可能比信號還要大）。所以，信噪比應該將所有的噪聲源都考慮在內，有些資料中常常忽略散粒噪聲，而它恰恰是中、高信號電平的主要噪聲來源。 ?

Spectral?Response?Characteristic光譜響應特性

CMOS圖像傳感器的信號電壓Vs和信號電流Is是入射光波長λ的函數。光譜響應特性就是指CMOS圖像傳感器的響應能力隨波長的變化關系,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：一個紅光、一個藍光、兩個綠光濾波器。每個像素只能感應一種顏色的光，但是當對外輸出的時候，需要知道這個像素的RGB值，就只能通過周圍像素去計算，這個計算和轉換是靠ISP去完成的，進而得出這個像素的RGB的值。這樣每個像素雖然只感應了一種光，但是每個像素經過處理后傳輸到外面后就是有RGB的信息了。這些原始的感光數據成為RAW data。

RCCC：75% 為透射，其余 25% 為只感受紅光的濾波器。 RCCC 的優點是光靈敏度高，適用于弱光環境。由于 RCCC 只有紅色光濾波器，因此主要用在對于紅色標識敏感的場合，比如交通燈檢測。

RCCB：50% 為透射，其余紅光藍光濾波器各占 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，僅用于對顏色無識別要求的場合，如駕駛員狀態檢測等。

RGB NIR：把RGGB中的一個G換成了NIR。 ?

Shutter?快門 Global Shutter（全局快門）與RollingShutter（卷簾快門）對應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曝光，所以全局快門能夠拍運動的物體而不產生形變，因為全局快門在每一個像素上添加了一個存儲單元。 ? Package?封裝 CSP:?芯片級封裝，芯片感光面被一層玻璃保護，CSP對灰塵點要求相對低點 sensor表面如果還有灰塵點可以返工修復，制程設備成本較低、制程時間短，但是光線穿透率不佳、價格較貴、高度較高、背光穿透鬼影現象。 COB:?將裸芯片用導電或非導電膠粘附在互連基板上，然后進行引線鍵合實現其電連接。COB可將鏡片、感光芯片、ISP以及軟板整合在一起，封裝測試后可直接交給組裝廠，但是制作過程中容易遭受污染，對環境要求較高，制程設備成本較高、良品率變動大、制程時間長，無法維修等。

BGA:?球形觸點陳列，表面貼裝型封裝。球柵網格陣列封裝. LGA: 平面網格陣列封裝. PGA: 插針網格陣列封裝. Fan-out：扇出晶圓級封裝。 PLCC：帶引線的塑料芯片載體.表面貼裝型封裝。

Pixel Technology?像素技術

FSI（Front side illumination）：前照式, 光是從前面的金屬控制線之間進入，然后再聚焦在光電檢測器上。 BSI（Back side illumination）：背照式，光線從背面入射進入感光區，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有更大的優勢。傳統的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。采取這個結構時，光線到達感光元件層時必須經過線路層的開口，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入感光元件層，減少了光線損失。因此在同一單位時間內，單像素能獲取的光能量更大，對畫質有明顯的提升。不過BSI的芯片生產工藝難度加大，良率下降，成本相對高一點。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，同時縮小了芯片的整體面積。對產品小型化有幫助。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感光元件產生的效果影響就更小，電路噪聲抑制得以優化，整體效果應該更優。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。但堆棧式的生產工藝更大，良率更低，成本更高。 ?