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標準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，將光子轉換為電荷。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體）可以直接將像元中的電荷轉換為電壓，此電壓經放大和量化后終變成輸出的數字灰度值（DN）。

現代CMOS傳感器憑借高幀率和出色的圖像質量從同類產品中脫穎而出。高性能工業相機中的CMOS傳感器可實現精+確的圖像分析，因此在很多應用中，CCD傳感器都已被不斷進步的CMOS技術所替代。

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，與之相對應的是產生這些電子的大光子數（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據和相機數據，上述差異可能會造成爭議。高飽和容量可實現更長的曝光時間。如果某個像元過曝，像元的DN值被設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將照片中的有用圖像信息從噪聲中區別出來所需要的少光子數（即小可檢測照度）。這意味著閾值越低，相機靈敏度越高。在極低光照應用中，應將靈敏度閾值考慮在內。這比僅僅參考量子效率（QE）更有意義，因為靈敏度結合了量子效率、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。大部分應用都傾向于低暗噪。暗噪聲、散粒噪聲及量化噪聲便構成了相機的噪聲。

4)   動態范圍 [dB]

動態范圍（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域，具有高動態范圍的相機可以提供更詳細的信息。因此，在涉及此類圖像或者光照條件快速變化的應用中，高動態范圍尤其重要。

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換為電子，其轉換效率（或量子效率）取決于波長。傳感器的光電轉換效率越高，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商數據可能有所不同，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。信噪比隨光子數的增加而增加，在飽和照度下達到大值（SNRmax）。

7)   增益K（DN/e–）

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

性能概述和行業標準

為了幫助相機制造商提高產品性能，歐洲機器視覺協會的《EMVA 1288標準》對工業圖像處理應用中的圖像傳感器與相機的物體測量及分類方法進行了統一定義。 

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信息，請參閱堡盟的《EMVA 1288標準》手冊。傳感器特性使用經校準后的ACC3（AEON相機校準器工具）進行測定，符合EMVA 1288標準。如需查看量子效率、暗噪聲、飽和容量或動態范圍等參數，請參閱數據表。

產品系列

高速可靠的相機–采用*CMOS傳感器

工業相機

• 像素高達2000萬，幀率高達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用的需求

工業相機

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

在產品選擇器中打開

堅固耐用的高分辨率高速相機

工業相機

• 像素高達4800萬，幀率高達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