数码相机CMOS图像传感器的特性参数与选择

    1 前 言

    随着技术的进步,图像传感器市场已经不仅仅是CCD了, CMOS (Complementary Meta-l OxideSemiconductor)图像传感器已经加入了图像传感器市场的竞争发展行列。CMOS传感器采用了CMOS生产工艺[1],大约一半的芯片面积由图像传感器占用,其它部分由模拟和数字电路以及信号通路构成。

    CMOS图像传感器的特性参数包括传感器的尺寸、像素总数和有效像素数、最小照度、动态范围、灵敏度、分辨力、光电响应不均匀性以及光谱响应等。

    在许多便携式产品尤其是数码相机产品的设计过程中,已经越来越多的可以用CMOS图像传感器来替代CCD图像传感器,以节约系统的成本和降低系统的功耗。因而,如何选择CMOS图像传感器已成为数码相机设计以及便携式产品设计过程中的首要任务之一。

    2 CMOS图像传感器特性参数

    (1)传感器尺寸。CMOS图像传感器的尺寸越大,则成像系统的尺寸越大。目前,CMOS图像传感器的常见尺寸有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。

    (2)像素总数和有效像素数。像素总数是衡量CMOS图像传感器的主要技术指标之一。CMOS图像传感器的总体像素中被用来进行有效的光电转换并输出图像信号的像素为有效像素。显而易见,有效像素总数隶属于像素总数集合。有效像素数目直接决定了CMOS图像传感器的分辨能力。

    (3)最小照度。最小照度是指在使用最大光圈增益、摄取特定目标时视频信号输出幅度为100IRE所对应的入射光的最小值。

    (4)动态范围。动态范围由CMOS图像传感器的信号处理能力和噪声决定,反映了CMOS图像传感器的工作范围。参照CCD的动态范围[2],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。

    (5)灵敏度。图像传感器对入射光功率的响应能力被称为响应度[3]。对于CMOS图像传感器来说,通常采用电流灵敏度来反映响应能力,电流灵敏度也就是单位光功率所产生的信号电流:

    式中,Ps是入射光功率;Is是信号电流,取有效值,即均方根值。有些文献或器件手册中也会采用电压响应度来反映响应能力。电压响应度Rv定义为图像传感器的输出信号电压Vs与入射光功率Ps之比,即单位光功率所产生的信号电压:

    光辐射能流密度在光度学中常用照度来表示,可以利用关系式1W/m2= 20lx。对于一定尺寸的CMOS图像传感器而言,电压响应度可用(V/lx#s)表示,电流灵敏度可用(A/lx#s)表示。

    (6)分辨力。分辨力是指CMOS图像传感器对景物中明暗细节的分辨能力[4]。通常用调制传递函数(MTF)来表示,同时也可以用空间频率(lp/mm)来表示[2]。由于CMOS图像传感器是离散采样器件,由尼奎斯特定理可知,它的极限分辨力为空间采样频率的一半。如果某一方向上的像元间距为d,则该方向上的空间采样频率为1/d(单位为lp/mm),其极限分辨力将小于1/2d(单位为lp/mm)。因此CMOS图像传感器的有效像素数(行或列)以及CMOS传感器的尺寸(行或列)是衡量分辨力的重要的相关指标。由此可以得到