CMOS系列(2)选型指标
<摘要>
有效像素数
有效像素数（Number of effective pixels）指 CIS 中能够进行有效的光电转换并输出图像信号的像素。例如索尼的 IMX586，有效像素为 8000（H）×6000（V），表示横列像素数目为 8000，竖列像素数目为 6000，两个数字相乘为 4800 万，称为 48M 或者 48MP。M、MP 是 Megapixel（百万像素）的简称。
像素尺寸
像素尺寸（Pixel Size）是指单个感光元件的尺寸，一般有两种表述，比如 1.12μm 或者 1.12μm×1.12μm。像素尺寸越大，接收光子的数量就越多，同光照条件和曝光时间内产生的电荷也越多。对于弱光成像而言，像素尺寸是芯片灵敏度的一种表征。
靶面尺寸/光学尺寸
靶面（Target Surface）是图像传感器上用于接收和感应光线的区域，也可以称为成像区域或有效感光区域，直接影响成像质量和视野。
较大的靶面具有更好的动态范围，能捕捉更多亮部暗部的细节；同时单个像素面积较大，在低光环境下表现较好。光学尺寸越大，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。靶面较小则可以获得较大的景深。（景深是指在摄影机镜头或其他成像器前沿着能够取得清晰图像的成像器轴线所测定的物体距离范围）另外，靶面大小也影响镜头的等效焦距。靶面尺寸的计算，理论上是传感器靶面的对角线长度，但由于历史原因，“一英寸传感器”指的是与直径一英寸的摄像管实际靶面面积相当。
常见的靶面尺寸如下（1 英寸 = 2.54 厘米，1 英尺 = 30.48 厘米）
- 中画幅的 sensor 典型尺寸为 44 或 53mm 宽，3 千万~1 亿像素。
- 全画幅的 sensor 典型尺寸为 35mm 宽，和早期的电影胶片一样大，具有 1 千万~5 千万像素不等。
- APS-C sensor 典型尺寸 22mm 宽，是单反相机的主力军，具有 6 百万~5 千万像素不等。
- 4/3 英寸画幅 sensor，典型尺寸 17.3mm 宽，微单产品的主力，具有 8 百万~2 千万像素不等。
- 1 英寸画幅 sensor，典型尺寸 13.2mm 宽，用于单反和高端安防产品
- 1/3~2/3 英寸 sensor，便携 camera 和安防 camera 的主力军，1 百万~2 千万像素不等。
- 1/4~1/2 英寸 sensor，主要用于手机 camera 模组，8 百万~4 千万像素不等。
主光线角度
主光线角度（Chief Ray Angle，CRA）又叫主光线入射角，指的是从镜头中心通过像素中心的光线与传感器表面之间的角度，影响光线如何投射到传感器的每个像素上。光线投射到像素中心的角度由相机镜头的 CRA 和 CIS 微透镜的开口布局共同决定。另外，相机的镜头和 CIS 各有一个 CRA 参数，CIS 的 CRA 指像素表面微透镜的主光线角度。镜头的 CRA 与 CIS 的 CRA 值越接近越好，一般建议角度差控制在正负 2 到 3 度之间；更具体地说，镜头的 CRA 一般略大于 CIS 的 CRA，因为镜头 CRA 小于 CIS 的 CRA 时会出现偏色现象（偏色是指像素之间的串扰，导致成像出现颜色阴影的现象）。较大的 CRA 可能导致角落或边缘像素的光线投射效率降低，影响图像的均匀性和清晰度。之所以要设计 CIS 的 CRA，使传感器的微透镜和光电二极管的位置存在一定的水平误差，是为了更好地搭配镜头，因为 CRA 为 0 度的镜头不容易找到。
快门方式
CMOS 传感器的快门方式有全局快门（Global Shutter）和卷帘快门（Rolling Shutter）两种。
- 全局快门：拍摄瞬间传感器所有像素同时曝光，能够在同一时刻捕获整个画面的图像信息。在面对快速运动的物体时，全局快门能够避免因扫描延迟导致的物体变形和扭曲现象（即果冻效应）。且全局快门同步性好，适用于需要精确时间同步的应用场景，如多相机协同拍摄系统中，各相机可同时曝光，保证图像采集的一致性。但由于每个像素都需要额外的存储单元来暂存曝光信息，成本较高；另外，额外的存储单元占据了像素面积，像素感光面积有所减小。
- 卷帘快门：拍摄瞬间传感器像素逐行曝光，如同卷帘一样依次展开，直到整个画面曝光完成。不需要为每个像素配备存储单元，电路结构相对简单，成本相对较低。相较于全局快门，因为没有额外存储单元占用像素面积，像素尺寸可以做得更小，有利于提高图像传感器的分辨率和在低光照条件下的性能。缺点是存在果冻效应（拍摄快速运动物体或相机快速移动时，由于逐行曝光存在时间差，会导致拍摄的物体出现变形、扭曲，类似果冻抖动的效果，影响图像质量），且同步性较差，不适用于需要精确同步曝光的应用场景。
焦距决定视场，快门决定记录这个空间所需要的时间。快门速度就是帧率的倒数。
感光度/灵敏度阈值
灵敏度阈值（Absolute Sensitivity Threshold）用于衡量 CIS 对入射光功率的响应能力，常用的定义是在 1μm2 单位像素面积上，标准曝光条件下（1Lux 照度，F5.6 光圈），在 1s 时间内积累的光子数能激励出多少 mV 的输出电压，通常以 mV/lux-sec 为单位。绝对灵敏度阈值指的是传感器能够检测到的最小光照强度，通常表示为使传感器能够产生一个可区分于杂讯的信号所需的最小光子数量。在量子效率一定的情况下，灵敏度阈值主要取决于电荷/电压转换系数（Charge/Voltage Factor, CVF）。绝对灵敏度阈值越低，CIS 在低照度下就能捕获越丰富的细节，相应地在拍摄时可以匹配更高地快门速度，有利于拍摄运动物体和夜间场景。与感光度类似的指标还有安防领域应用较多的近红外感光度（NIR，Near Infra-red。850nm-940nm），含义与灵敏度完全一致。
动态范围
动态范围（Dynamic Range）表示图像中所包含的从“最暗”至“最亮”的取值范围。根据 ISO15739 的定义，“最亮”指的是能够使输出编码值达到特定“饱和值”的亮度；而“最暗”指的是图像信噪比下降至 1.0 时的亮度。（也有的定义为最大非饱和输入信号（光电流）$I_{max}$ 与最小可检测输入信号 $I_{min}$ 的比值），通常表示以分贝表示。动态范围取决于 CIS 的信号处理能力和噪声水平，前者一般由像素的满阱容量决定，后者一般由读出噪声主导。动态范围决定了传感器捕捉影像时可区分的亮度范围。一个宽广的动态范围使传感器能够在极端亮暗条件下都能捕捉到细节。
另外，ADC 位数的选择必须是和 CIS 的动态范围相适配的，ADC 位数高于 CIS 是没有任何意义的性能浪费，低于 CIS 则不能完全发挥出性能优势。主流的单反相机采用 14 位 ADC，更高端的则采用 16 位 ADC。
光谱响应特性
光谱响应特性（Spectral Response Characteristic）指的是 CIS 信号电压 Vs 和信号电流 Is 与入射光波长 λ 之间的函数关系，决定了 CMOS 图像传感器的光谱范围。
量子效率
量子效率（Quantum Efficiency）指在某一特定波长下，单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比，描述了感测器将入射光子转换为电子的效率。量子效率越高，CIS 感光度就越高，从而捕捉更多的影像细节，尤其是在光照不足的环境中。量子效率主要取决于光电二极管 PN 结截面的结构和大小，通常在 10%-80%之间，并且与波长有密切关系。硅基半导体的能带宽度（Band Gap）决定了其对绿光（波长 550nm）的量子效率最高，对红外光段的感测效果较差。
满阱容量
满阱容量（Full Well Capacity，FWC）又称饱和容量（Saturation Capacity）或势阱容量，指的是单个像素在达到最大亮度值之前像素能够积累的最大光电荷量，决定了像素在极端亮光条件下的表现，高满阱容量意味着传感器能够在不过度曝光的情况下捕捉更亮的场景，动态性能也就更好。消费类 CIS 的 FWC 一般以 2000~4000 较为常见。超过 FWC 的上限，电荷就有可能渗漏到邻近的像素导致溢出模糊，反映到图像上则类似于过曝，呈现一片特别亮的区域。解决过曝可通过在像素单元内加入自动泄放管来将过剩电荷排出，但已经不能使像素真实还原出图像了。
满阱容量对一系列性能指标皆有影响：
- 对动态范围的影响：满阱容量越大，图像传感器能够捕捉到的亮度范围就越广，可以在亮部不过曝的情况下，更好地保留暗部细节，扩大动态范围。
- 对信噪比的影响：较高的满阱容量有助于提高信噪比。在相同的噪声水平下，能够容纳更多信号电荷意味着信号强度相对更高，图像质量更清晰，噪点更少。
- 对色彩还原的影响：如果满阱容量不足，在强光下某些颜色通道可能会先饱和，导致颜色信息丢失或失真；足够的满阱容量能保证各个颜色通道在合理的光照范围内都能正常工作
- 对曝光宽容度的影响：满阱容量大在曝光设置上有更大的宽容度。既可以在长曝光时间下捕捉微弱信号，用于拍摄夜景等低光照场景；也能在高光照条件下避免像素过早饱和。
系统增益
系统增益（Overall System Gain）表征了传感器对光信号的反应和后续电子处理过程的放大能力。此处的增益是指信号放大的比例，通常包括数字增益和模拟增益，大部分 CMOS 都拥有这两种增益且可以独立调整倍数，最终效果为两者相乘。然而，由于增益在放大信号的同时也会放大噪音，因此增益并非越高越好。系统增益直接影响影像的亮度和对比度，高的系统增益使传感器能够在光线较弱的条件下捕捉到更多的细节。
空间非均匀性
空间非均匀性有 DSNU 和 PRNU 两种：DSNU 是指在没有光源（暗环境）下，传感器各像素点输出信号的一致性。这种不一致性通常来自制程中的微小变异或元件的老化现象。DSNU 会导致影像出现不均匀的暗部，特别在低光照条件下更为明显，影响到影像的整体品质和对比度。PRNU 指的是在均匀光照下，感知器各像素对光的灰度响应存在的不均匀性和非线性，通常由像素大小、形状或材料特性上的微小差异导致。PRNU 会造成影像在亮度和色彩上的不均匀，影响影像的自然度和真实感。
线性度误差
线性度误差（Linearity Error）指的是感测器输出与光强度输入之间的关系偏离理想线性响应的程度。理想状态下，感测器输出应与光强度成正比。在高线性度误差的情况下，感测器可能无法准确地反映场景的亮度变化，从而影响影像质量。高性能影像感测器的线性偏差通常只有几个百分点。
信噪比
信噪比 SNR（Signal-to-Noise Ratio）反映了传感器输出的有效信号强度和背景噪声强度之间的关系，一般以用分贝表示。SNR 其实是用来衡量传感器某一时刻输出的图片质量，而不是表征传感器能力的指标。一般摄像机给出的信噪比值均是 AGC（自动增益控制）关闭时的值，因为当 AGC 接通时，会对小信号进行提升，使得噪声电平也相应提高。信噪比的典型值为 45 ～ 55dB，若为 50dB，则图像有少量噪声，但图像质量良好；若为 60dB，则图像质量优良，不出现噪声。
像素密度
像素密度也是用于衡量传感器某一时刻输出的图片质量的指标。在印刷行业中，描述一幅图像的质量通常会使用“像素密度”的概念，一种常用的定义是 PPI（pixel per inch）或 DPI（dot per inch），即每英寸长度上（1in = 25.4mm）打印多少个像素点。在我国一般采用国际单位体系，像素密度通常用 PPM（pixels per meter）单位。在安防行业中，人们一般将图像质量从高到低分为 5 个等级，每个等级可以满足一定的应用需求。