CMOS傳感器的工作原理和主要特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)精確的圖像評(píng)估
基于光電效應(yīng)，圖像傳感器將光子轉(zhuǎn)換成電荷。與CCD傳感器(電荷耦合器件)不同，CMOS傳感器(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)直接將像素中的電荷轉(zhuǎn)化為電壓。電壓被放大和量化以產(chǎn)生輸出數(shù)字值。
如今的CMOS傳感器以其高幀率和出色的圖像質(zhì)量而聞名。在高性能工業(yè)相機(jī)中，它們可以實(shí)現(xiàn)精確的圖像評(píng)估。在大多數(shù)應(yīng)用中，CCD傳感器已經(jīng)被不斷發(fā)展的技術(shù)所取代。下圖說(shuō)明了CMOS傳感器的基本功能和主要特性。
1)滿井容量[e–]和飽和容量[e–]
像素被視為阱，阱的全容量被視為阱中可以存儲(chǔ)的電子的最大數(shù)量。這對(duì)應(yīng)于將產(chǎn)生這種電子的光子的最大數(shù)量(飽和輻照度)。用于表征相機(jī)的實(shí)際飽和容量是以不同方式從相機(jī)圖像直接測(cè)量的。該值通常小于全井容量。如果對(duì)比成像傳感器數(shù)據(jù)和相機(jī)數(shù)據(jù)，這種差異可能會(huì)引起討論。高飽和容量允許更長(zhǎng)的曝光時(shí)間。如果一個(gè)像素曝光過度，它將被設(shè)置為最大DN，它不包含任何有用的信息。
2)絕對(duì)靈敏度閾值(AST)[e–]
絕對(duì)靈敏度閾值描述了相機(jī)可以從圖片中的噪聲中區(qū)分有用圖像信息的最低光子數(shù)(最小可檢測(cè)輻射)。這意味著閾值越低，相機(jī)越靈敏。在極弱光應(yīng)用中，您應(yīng)該考慮AST。它比僅僅提到QE更重要，因?yàn)锳ST結(jié)合了QE、暗噪聲和散粒噪聲(由光子的量子特性引起)。該值由SNR等于1的值決定(信號(hào)與噪聲一樣大)。
3)時(shí)間暗噪聲[e–]
即使傳感器沒有被照亮，每個(gè)像素也將顯示(暗)信號(hào)。隨著曝光時(shí)間和溫度的增加，在沒有光的情況下，每個(gè)像素都會(huì)產(chǎn)生電子。這種暗信號(hào)變化被稱為暗噪聲(電子測(cè)量)。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，低暗噪聲是首選。暗噪聲與光子散粒噪聲和量化噪聲一起描述了相機(jī)噪聲。
4)動(dòng)態(tài)范圍[dB]
動(dòng)態(tài)范圍(DR)是飽和輻照度和最小可檢測(cè)輻照度之間的比率。測(cè)量單位為DR dB。具有高DR的相機(jī)可以在單個(gè)圖像中為暗區(qū)和亮區(qū)提供更詳細(xì)的圖像信息。因此，在圖像中有暗區(qū)和亮區(qū)或者光照條件快速變化的應(yīng)用中，高DR尤為重要。
5)量子效率[%]
成像傳感器將光子轉(zhuǎn)換成電子。轉(zhuǎn)換率和量子效率(QE)取決于波長(zhǎng)。光子轉(zhuǎn)化為電子越多，傳感器對(duì)光越敏感，從圖像中可以獲得的信息就越多。相機(jī)中測(cè)得的值可能與圖像傳感器供應(yīng)商的數(shù)據(jù)不同，因?yàn)橄鄼C(jī)可能使用了防護(hù)玻璃或?yàn)V鏡。
6)最大信噪比(SNRmax)[dB]
信噪比(SNR)是灰度值(校正暗值)和信號(hào)噪聲之間的比率。通常以dB為單位。信噪比主要取決于k和暗噪聲。信噪比隨著光子數(shù)的增加而增加。飽和輻照度達(dá)到最大信噪比(SNRmax)。
7)K系數(shù)（數(shù)字編號(hào)DN/e–）
相機(jī)將來(lái)自圖像傳感器的電子信號(hào)(E–)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)(DN)。這種轉(zhuǎn)換由整個(gè)系統(tǒng)的增益K來(lái)描述，用每個(gè)電子(E–)的數(shù)字?jǐn)?shù)(DN)來(lái)測(cè)量。需要k個(gè)電子來(lái)增加1 DN的灰度級(jí)。系數(shù)k取決于相機(jī)設(shè)計(jì)。k因子的輕微增加可以以飽和容量為代價(jià)來(lái)改善線性度。
