一文解析CMOS圖像傳感器的主要指標(biāo)

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

本文簡單總結(jié)了CMOS圖像傳感器的主要指標(biāo)。 ?

Resolution?（Number of Pixels）分辨率/像素數(shù)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(shù)量和分辨率是兩個密不可分的重要概念，它們的組合方式?jīng)Q定了圖像的數(shù)據(jù)量，同樣大小的圖像，分辨率越高，包含的像素越多。像素總數(shù)是指所有像素的總和，像素總數(shù)是衡量CMOS圖像傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)之一。CMOS圖像傳感器的總體像素中被用來進(jìn)行有效的光電轉(zhuǎn)換并輸出圖像信號的像素為有效像素。有效像素總數(shù)隸屬于像素總數(shù)集合。有效像素數(shù)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(shù)量，分別給出了總的像素總數(shù)、有效的像素總數(shù)。 ?

Optical Format?光學(xué)尺寸

光學(xué)尺寸越大，則成像系統(tǒng)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(shí)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(yīng)能力，像元尺寸越大，能夠接收到的光子數(shù)量越多，在同樣的光照條件和曝光時間內(nèi)產(chǎn)生的電荷數(shù)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(yīng)器將捕捉到的光源信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的原始數(shù)據(jù)。RAW文件是一種記錄了數(shù)碼相機(jī)傳感器的原始信息，同時記錄了由相機(jī)拍攝所產(chǎn)生的一些原數(shù)據(jù)（Metadata，如ISO的設(shè)置、快門速度、光圈值、白平衡等）的文件。RAW是未經(jīng)處理、也未經(jīng)壓縮的格式，可以把RAW概念化為“原始圖像編碼數(shù)據(jù)”或更形象的稱為“數(shù)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(shù)量，連續(xù)播放一系列圖片就會產(chǎn)生動畫效果，根據(jù)人類的視覺系統(tǒng)，當(dāng)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(dá)到24幅/s～30幅/s時就已經(jīng)基本覺察不到閃爍現(xiàn)象了。每秒的幀數(shù)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(shù)。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的視覺體驗(yàn)。 ?

Output Interface?輸出接口

MIPI:?移動行業(yè)處理器接口，是MIPI聯(lián)盟發(fā)起的為移動應(yīng)用處理器制定的開放標(biāo)準(zhǔn)。串行數(shù)據(jù)，速度快，抗干擾，主流輸出接口。 LVDS：低壓差分信號技術(shù)接口。 DVP：并口傳輸，速度較慢，傳輸?shù)膸挼汀?Parallel：并行數(shù)據(jù)，含12位數(shù)據(jù)信號，行場同步信號和時鐘信號。 HISPI:高速像素接口，串行數(shù)據(jù)。 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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)的冗余度也更低。在應(yīng)用中 SLVS-EC 接口提供了更加可靠和穩(wěn)定的傳輸。 ?

CRA?主光線角度

從鏡頭的傳感器一側(cè)，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(guān)的。如果lens的CRA小于CMOS Sensor的CRA，一定會有偏色現(xiàn)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(shù)之一。它具有兩種物理意義，一種是光器件的光電轉(zhuǎn)換能力，與響應(yīng)率的意義相同，即芯片的靈敏度，指在一定的光譜范圍內(nèi)，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(xiàn)的常用指標(biāo)。 ?

Dynamic Range?動態(tài)范圍

動態(tài)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(tài)范圍，最終成像的動態(tài)范圍要涉及到ISP等處理過程，公式更復(fù)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(zhì)量，并不是表達(dá)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(chǎn)生的原因是一束同樣的光照射到兩個不同的像素上產(chǎn)生的輸出信號不完全相同。對付固定圖形噪聲可以應(yīng)用雙采樣或相關(guān)雙采樣技術(shù)。動態(tài)范圍和信噪比是最容易被誤解和誤用的參數(shù)。動態(tài)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?yàn)樽x出噪聲經(jīng)常不是在典型的運(yùn)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(nèi)。信噪比主要決定于入射光的亮度級（事實(shí)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(yīng)該將所有的噪聲源都考慮在內(nèi)，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(yīng)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(shù)。光譜響應(yīng)特性就是指CMOS圖像傳感器的響應(yīng)能力隨波長的變化關(guān)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(lán)光、兩個綠光濾波器。每個像素只能感應(yīng)一種顏色的光，但是當(dāng)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(zhuǎn)換是靠ISP去完成的，進(jìn)而得出這個像素的RGB的值。這樣每個像素雖然只感應(yīng)了一種光，但是每個像素經(jīng)過處理后傳輸?shù)酵饷婧缶褪怯蠷GB的信息了。這些原始的感光數(shù)據(jù)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(yōu)點(diǎn)是光靈敏度高，適用于弱光環(huán)境。由于 RCCC 只有紅色光濾波器，因此主要用在對于紅色標(biāo)識敏感的場合，比如交通燈檢測。

RCCB：50% 為透射，其余紅光藍(lán)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(jī)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(tài)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(yīng)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(yùn)動的物體而不產(chǎn)生形變，因?yàn)槿挚扉T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(hù)，CSP對灰塵點(diǎn)要求相對低點(diǎn) sensor表面如果還有灰塵點(diǎn)可以返工修復(fù)，制程設(shè)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(xiàn)象。 COB:?將裸芯片用導(dǎo)電或非導(dǎo)電膠粘附在互連基板上，然后進(jìn)行引線鍵合實(shí)現(xiàn)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(huán)境要求較高，制程設(shè)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(diǎn)陳列，表面貼裝型封裝。球柵網(wǎng)格陣列封裝. LGA: 平面網(wǎng)格陣列封裝. PGA: 插針網(wǎng)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(shù)

FSI（Front side illumination）：前照式, 光是從前面的金屬控制線之間進(jìn)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(jìn)入感光區(qū)，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(yōu)勢。傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)時，光線到達(dá)感光元件層時必須經(jīng)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(jìn)入感光元件層，減少了光線損失。因此在同一單位時間內(nèi)，單像素能獲取的光能量更大，對畫質(zhì)有明顯的提升。不過BSI的芯片生產(chǎn)工藝難度加大，良率下降，成本相對高一點(diǎn)。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(chǎn)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(chǎn)生的效果影響就更小，電路噪聲抑制得以優(yōu)化，整體效果應(yīng)該更優(yōu)。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(chǎn)工藝更大，良率更低，成本更高。 ?