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寶盟CMOS傳感器的工作原理及基本功能
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CMOS傳感器的工作原理及基本功能
滿(mǎn)足EMVA 1288標(biāo)準(zhǔn)的相機(jī)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(yīng)，將光子轉(zhuǎn)換為電荷。不同于CCD傳感器（電荷耦合器件），CMOS傳感器（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）可以直接將像元中的電荷轉(zhuǎn)換為電壓，此電壓經(jīng)放大和量化后終變成輸出的數(shù)字灰度值（DN）。
現(xiàn)代CMOS傳感器憑借高幀率和出色的圖像質(zhì)量從同類(lèi)產(chǎn)品中脫穎而出。高性能工業(yè)相機(jī)中的CMOS傳感器可實(shí)現(xiàn)精+確的圖像分析，因此在很多應(yīng)用中，CCD傳感器都已被不斷進(jìn)步的CMOS技術(shù)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(mǎn)阱容量 [e–] 與飽和容量 [e–]
將一個(gè)像元想象成一個(gè)阱，那么滿(mǎn)阱容量就是阱中可以?xún)?chǔ)存的大電子數(shù)，與之相對(duì)應(yīng)的是產(chǎn)生這些電子的大光子數(shù)（即飽和照度）。飽和容量通過(guò)不同的相機(jī)圖像直接測(cè)得，實(shí)際上用于描述相機(jī)特性。飽和容量通常小于滿(mǎn)阱容量。如果對(duì)比圖像傳感器數(shù)據(jù)和相機(jī)數(shù)據(jù)，上述差異可能會(huì)造成爭(zhēng)議。高飽和容量可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的曝光時(shí)間。如果某個(gè)像元過(guò)曝，像元的DN值被設(shè)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(jī)能夠?qū)⒄掌械挠杏脠D像信息從噪聲中區(qū)別出來(lái)所需要的少光子數(shù)（即小可檢測(cè)照度）。這意味著閾值越低，相機(jī)靈敏度越高。在極低光照應(yīng)用中，應(yīng)將靈敏度閾值考慮在內(nèi)。這比僅僅參考量子效率（QE）更有意義，因?yàn)殪`敏度結(jié)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(lái)定義，即為滿(mǎn)足SNR=1（信號(hào)等同于噪聲）時(shí)的光子數(shù)均值。
3) 顳暗噪聲[e–]
即便傳感器處于沒(méi)有光照的情況下，每個(gè)像元也能生成一個(gè)（暗）信號(hào)。隨著曝光時(shí)間延長(zhǎng)以及溫度升高，每個(gè)像元在無(wú)光條件下都會(huì)產(chǎn)生電子。這種暗信號(hào)被稱(chēng)為“暗噪聲”（單位為e–），它并不是一個(gè)固定值。大部分應(yīng)用都傾向于低暗噪。暗噪聲、散粒噪聲及量化噪聲便構(gòu)成了相機(jī)的噪聲。
4) 動(dòng)態(tài)范圍 [dB]
動(dòng)態(tài)范圍（DR）是飽和照度與小可檢測(cè)照度的比值，單位為dB。如果圖像中同時(shí)存在黑暗和明亮區(qū)域，具有高動(dòng)態(tài)范圍的相機(jī)可以提供更詳細(xì)的信息。因此，在涉及此類(lèi)圖像或者光照條件快速變化的應(yīng)用中，高動(dòng)態(tài)范圍尤其重要。
圖像傳感器/相機(jī)的物理模型
5) 量子效率[%]
圖像傳感器將光子轉(zhuǎn)換為電子，其轉(zhuǎn)換效率（或量子效率）取決于波長(zhǎng)。傳感器的光電轉(zhuǎn)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(jī)的測(cè)量值與圖像傳感器的供應(yīng)商數(shù)據(jù)可能有所不同，因?yàn)橄鄼C(jī)可能會(huì)使用玻璃蓋或?yàn)V光鏡。
6) 大信噪比（SNRmax）[dB]
信噪比是（經(jīng)暗場(chǎng)校正后的）灰度值與信號(hào)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(shù)的增加而增加，在飽和照度下達(dá)到大值（SNRmax）。
7) 增益K（DN/e–）
相機(jī)將圖像傳感器中的電子（e–）轉(zhuǎn)換為數(shù)字灰度值（DN）。這一轉(zhuǎn)換過(guò)程可通過(guò)系統(tǒng)總增益K來(lái)描述，單位為“DN/e–”，即灰度每提高1個(gè)DN需要轉(zhuǎn)換K個(gè)電子，而K值取決于相機(jī)的設(shè)計(jì)。增益K的小幅增加可能提高線(xiàn)性度，同時(shí)犧牲飽和容量。
性能概述和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
為了幫助相機(jī)制造商提高產(chǎn)品性能，歐洲機(jī)器視覺(jué)協(xié)會(huì)的《EMVA 1288標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)工業(yè)圖像處理應(yīng)用中的圖像傳感器與相機(jī)的物體測(cè)量及分類(lèi)方法進(jìn)行了統(tǒng)一定義。
如需了解LX、CX及EX系列相機(jī)的性能及其所用傳感器的相關(guān)信息，請(qǐng)參閱堡盟的《EMVA 1288標(biāo)準(zhǔn)》手冊(cè)。傳感器特性使用經(jīng)校準(zhǔn)后的ACC3（AEON相機(jī)校準(zhǔn)器工具）進(jìn)行測(cè)定，符合EMVA 1288標(biāo)準(zhǔn)。如需查看量子效率、暗噪聲、飽和容量或動(dòng)態(tài)范圍等參數(shù)，請(qǐng)參閱數(shù)據(jù)表。
產(chǎn)品系列
高速可靠的相機(jī)–采用*CMOS傳感器
工業(yè)相機(jī)
- 像素高達(dá)2000萬(wàn)，幀率高達(dá)891fps
- Sony Pregius和STARVIS, ON Semiconductor PYTHON
- 全局和卷簾快門(mén)傳感器
- GigE Vision, USB3 Vision
- 29 × 29 mm，40 × 40 mm
在產(chǎn)品選擇器中打開(kāi)
相機(jī)集成了各種基本功能，以滿(mǎn)足成本敏感型應(yīng)用的需求
工業(yè)相機(jī)
- 像素高達(dá)1,000萬(wàn)，幀率高達(dá)217 fps
- Sony、ON Semiconductor
- 全局和卷簾快門(mén)傳感器
- GigE Vision, USB3 Vision
- 29 × 29 mm
在產(chǎn)品選擇器中打開(kāi)
堅(jiān)固耐用的高分辨率高速相機(jī)
工業(yè)相機(jī)
- 像素高達(dá)4800萬(wàn)，幀率高達(dá)1594 fps
- ams (CMOSIS), ON Semiconductor PYTHON, Sony Pregius
- 全局快門(mén)傳感器
- GigE Vision, 10 GigE Vision, Camera Link
- 60 × 60 mm
