图像传感器规格参数详解
图像传感器规格参数详解
图像传感器是摄像机的核心部件，其性能直接影响成像质量。本文将详细解析图像传感器的关键规格参数，包括靶面尺寸、分辨率、像元尺寸、帧率、信噪比、位分辨率、动态范围、灵敏度、量子效率和噪声等，帮助读者全面了解图像传感器的工作原理和性能指标。
图像传感器是利用光电器件的光电转换功能将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号，是摄像机的核心部件，业内一般将其称为“sensor”。
sensor按照工作原理和生产工艺的不同，分为CCD和CMOS两个类别，早期安防摄像机使用CCD比较多，随着工艺技术的进步，CMOS的成像能力逐渐赶上了CCD，同时具有价格低，功耗低等优势，因此现在CMOS成为了主流，几乎看不到CCD的身影了。
上图是一款2012年生产的交通摄像机中使用的CCD，从硕大的铜基散热器可以看出这款CCD的发热量很大。下图是一款2022年生产的交通摄像机中使用的CMOS，规格与上图的CCD相似，仅依靠PCB开窗导热，可见CMOS的功耗比CCD小得多。
sensor的规格参数
靶面尺寸：
sensor的靶面尺寸，其实是说sensor感光面的大小，但是使用sensor的对角线长度表示。在CCD/CMOS器件诞生之前，使用真空管作为图像传感器。真空管使用一个粗长的玻璃管将图像传感部分封装起来，为图像传感部分提供工作所需的真空环境。外径1"的真空管扣除封装玻璃后的有效成像区域大小为16mm。
真空摄像管
进入CCD/CMOS时代，图像传感器不再需要封装玻璃，但为了便于与之前的真空管比较，便将对角线长度16mm的CCD/CMOS芯片称为1"大小。因此，1" sensor对角线长度不是25.4mm（1"=1英寸=25.4mm）。
大体上，1/2英寸以下传感器，1英寸=18mm；1/2英寸及以上传感器，1英寸=16mm。这只能用于粗略的计算，说到底，“光学格式”是被定义出来的。
以Sony的IMX678为例，计算该sensor的对角线长度1/1.8*16=8.88mm，与标注的8.86mm相近，说明该计算方法是可行的。
sensor尺寸越大，感光面积越大，成像效果越好。1/1.8英寸的300万像素相机效果通常好于1/2.7英寸的400万像素相机(后者的感光面积只有前者的55%)。
分辨率：
指传感器能够捕捉的像素数量，通常以水平和垂直方向的像素数的乘积表示。分辨率越高，图像细节越丰富。
像元尺寸：
即一个像素的大小。像元尺寸越大，能收集的的光子数量越多，即在相同光照和曝光时间内，传感器能收到的有效信号越多。较小的像素尺寸可以提高分辨率，但可能降低信噪比。像元大小和像元数（分辨率）共同决定相机的靶面尺寸。
帧率：
帧率表示图形传感器在处理图像时每秒钟能够更新的次数。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的视觉体验。
如图，IMX678在全像素扫描下，12bit模式每秒60帧，10bit模式每秒72帧。
信噪比：
是信号电压于噪声电压的比值，信噪比的单位用dB来表示。信噪比越大说明对噪声的控制越好。这个参数关系的图像中噪点的数量，信噪比越高，给人感觉画面越干净，夜视的画面中点状的噪点就越少。手册中给出的信噪比一般是增益为零时的参数。
位分辨率、位深：
指的是一个像素中，每个颜色分量（RGB）通道的比特数，至少是八位（0~255）。
动态范围：
动态范围由sensor的信号处理能力和噪声决定,反映了sensor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。反映到成像上就是图像中最亮的光强到最暗的光强之间的比值。拥有高动态范围（HDR）的sensor能够同时记录明亮区域的细节和暗部的细节，从而避免过曝或欠曝现象。
灵敏度：
灵敏度是衡量sensor对于光的灵敏程度。当照度是1LUX（勒克斯：照度单位）时，在1s内，光电转换器所能达到的电压幅值的最大值。单位一般是LUX/s。高灵敏度意味着可以在光照较暗或曝光时间较短的时候得到清晰的图像，所以在微光或高速成像应用中应选取灵敏度较高的图像传感器。
量子效率：
量子效率是器件在不同波段对光的吸收转换效率。是描述光电器件光电转换能力的一个重要参数，它是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。由于sensor存在三种像素，所以量子效率一般针对三种像素分别给出。
IMX678量子效率图
噪声：
噪声是影响图像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。固定图形噪声产生的原因是一束同样的光照射到两个不同的像素上产生的输出信号不完全相同。这些噪声会影响图像的质量和清晰度。
暗电流：
物理器件不可能是理想的，由于器件杂质、温度，外界干扰等原因产生的影响，即使没有光照射到图像传感器上，像素单元也会产生电荷，这些电荷产生了暗电流。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。暗电流直接影响信噪比（SNR）,会导致图像信号被噪声掩盖，从而降低图像的清晰度和动态范围，可能导致图像中出现热噪声斑点。