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CMOS成像传感器的性能和主要参数

发布时间:2020-12-24 09:32:12 浏览量:1433 作者:Leo

摘要

CMOS成像传感器通过像素整列和电路结构,将光信号转换成计算机系统可以识别处理的电信号。通过拜尔彩色滤波阵列的硬件结构

和RGB算法,可以获得含有颜色信息的图片资料。传感器本身的参数和最终的图片数据息息相关。本文将介绍CMOS成像传感器的一

些性能和参数。

正文


cmos成像传感器的可以以摄像头或者光束探测器的形式投入到实际的应用中。如手机摄像头,安防摄像头,条码扫描,光速质量分

析仪等。

目前主流的CMOS厂商有:索尼、三星、豪威、格科微、思特威、安森美等公司。


影响CMOS成像传感器性能的主要问题有:噪声,暗电流,饱和溢出模糊。

1、噪声:

噪声是影响CMOS传感器性能的首要问题。这种噪声包括固定图形噪声FPN(Fixed pattern noise)、暗电流噪声、热噪声等。


固定图形噪声(FPN)产生的原因是一束同样的光照射到两个不同的象素上产生的输出信号不完全相同。噪声正是这样被引入的。对付

固定图形噪声可以应用双采样或相关双采样技术。具体地说来有点像在设计模拟放大器时引入差分对来抑制共模噪声。双采样是先读出

光照产生的电荷积分信号,暂存然后对象素单元进行复位,再读取此象素单元地输出信号。两者相减得出图像信号。两种采样均能有效

抑制固定图形噪声。另外,相关双采样需要临时存储单元,随着象素地增加,存储单元也要增加。


2、暗电流:

物理器件不可能是理想的,如同亚阈值效应一样,由于杂质、受热等其他原因的影响,即使没有光照射到象素,象素单元也会产生电

荷,这些电荷产生了暗电流。暗电流与光照产生的电荷很难进行区分。暗电流在像素阵列各处也不完全相同,它会导致固定图形噪声。

对于含有积分功能的像素单元来说,暗电流所造成的固定图形噪声与积分时间成正比。暗电流的产生也是一个随机过程,它是散弹噪声

的一个来源。因此,热噪声元件所产生的暗电流大小等于像素单元中的暗电流电子数的平方根。当长时间的积分单元被采用时,这种类

型的噪声就变成了影响图像信号质量的主要因素,对于昏暗物体,长时间的积分是必要的,并且像素单元电容容量是有限的,于是暗电

流电子的积累限制了积分的最长时间。


为减少暗电流对图像信号的影响,首先可以采取降温手段。但是,仅对芯片降温是远远不够的,由暗电流产生的固定图形噪声不能完全

通过双采样克服。现在采用的有效的方法是从已获得的图像信号中减去参考暗电流信号。


3、象素的饱和与溢出模糊:

类似于放大器由于线性区的范围有限而存在一个输入上限,对于CMOS图像传感芯片来说,它也有一个输入的上限。输入光信号若超

过此上限,像素单元将饱和而不能进行光电转换。对于含有积分功能的像素单元来说,此上限由光电子积分单元的容量大小决定:对于

不含积分功能的像素单元,该上限由流过光电二极管或三极管的最大电流决定。在输入光信号饱和时,溢出模糊就发生了。溢出模糊是

由于像素单元的光电子饱和进而流出到邻近的像素单元上。溢出模糊反映到图像上就是一片特别亮的区域。这有些类似于照片上的曝光

过度。溢出模糊可通过在像素单元内加入自动泄放管来克服,泄放管可以有效地将过剩电荷排出。但是,这只是限制了溢出,却不能使

象素能真实还原出图像了。


CMOS图像传感器参数

1、传感器尺寸

CMOS图像传感器的尺寸越大,则成像系统的尺寸越大,捕获的光子越多,感光性能越好,信噪比越低。


2、像素总数和有效像素数

像素总数是指所有像素的总和,像素总数是衡量CMOS图像传感器的主要技术指标之一。CMOS图像传感器的总体像素中被用来进行

有效的光电转换并输出图像信号的像素为有效像素。显而易见,有效像素总数隶属于像素总数集合。有效像素数目直接决定了CMOS图

像传感器的分辨能力。


 

3、动态范围

动态范围由CMOS图像传感器的信号处理能力和噪声决定,反映了CMOS图像传感器的工作范围。参照ccd的动态范围,其数值是输出端

的信号峰值电压与均方根噪声电压之比,通常用DB表示。


4、灵敏度

图像传感器对入射光功率的响应能力被称为响应度。对于CMOS图像传感器来说,通常采用电流灵敏度来反映响应能力,电流灵敏度也就

是单位光功率所产生的信号电流。


5、分辨率

分辨率是指CMOS图像传感器对景物中明暗细节的分辨能力。通常用调制传递函数(MTF)来表示,同时也可以用空间频率(lp/mm)来表

示。


6、光电响应不均匀性

CMOS图像传感器是离散采样型成像器件,光电响应不均匀性定义为CMOS图像传感器在标准的均匀照明条件下,各个像元的固定噪声电

压峰峰值与信号电压的比值。


7、光谱响应特性

CMOS图像传感器的信号电压Vs和信号电流Is是入射光波长λ的函数。光谱响应特性就是指CMOS图像传感器的响应能力随波长的变化

关系,它决定了CMOS图像传感器的光谱范围。光谱响应特性属于CMOS生产厂商的机密,针对光谱响应特性厂商会有自己的插值算法

也属于厂商的机密,不会向大众提供。


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