CMOS图像传感器的性能

2.2.1光电转换的原理和性能

当光子入射到半导体材料中，光子被吸收而激发产生电子–空穴对，称为光生载流子，如图2.3（a）所示。量子效率（Quantum Efficiency，QE）被定义为产生光生载流子的光子数占总入射光子数的百分比；或者被定义为η，即每个入射光子激发出来的光生载流子数。

式中，N e为被激发出来的电子数；N v为入射的光子数。不同的半导体材料对入射光的响应随其波长而变化，对于硅材料而言波长覆盖整个可见光范围，截止在

约1.12μm的近红外波长，如图2.3（b）所示。

（a）（b）

图2.3硅半导体材料的光照响应

光电信号的噪声水平决定了能检测到的最小光功率，即光电转换的灵敏度。硅光电传感器的噪声构成包括：

●来源于信号和背景的散粒噪声（shot noise）；

●闪烁噪声（flicker noise），即1/f噪声；

●来源于电荷载流子热扰动的热噪声（thermal noise）。

噪声特性用噪声等效功率NEP（Noise Equivalent Power）表达，信号功

率和噪声等效功率的比值，被称为信噪比（Signal Noise Ratio，SNR），是描述传感器性能的重要参数之一。

当入射光子照射在半导体材料的PN结上，如图2.4（a）所示，如果在PN 结上施加电压使光生载流子形成电流，产生如图2.4（b）所示的I-V特性曲线。曲线上V＞0的正向偏置一段被称为太阳能电池模式；PN结反向偏置V＜0的平直一段曲线，被称为光电二极管模式；I-V特性的反向击穿段被称为雪崩模式。通常在图像传感器中，光电转换元件工作在光电二极管模式，如图2.3（c）所

示。图2.3中PN结的反向电流I leak为

I leak＝I ph＋I diff

（a）（b）

图2.4PN结光电二极管示意图

式中，I ph为光生载流子产生的电流；I diff为扩散电流。在完全没有光照的情况下I ph＝0，I leak＝I diff，被称为暗电流或者漏电流。

在通常的CMOS图像传感器中，光电转换的速度还不是需要特别加以考虑的因素。但是在某些高速摄影应用中，或者某些潜在的未来超高速图像转换应用中，会考虑到光电转换速度的问题。在CMOS图像传感器中，对响应速度影响最大的将是少数载流子的扩散时间。

2.2.2图像清晰度

CMOS图像传感器和CCD的一样，图像的清晰度取决于硅光电二极管阵列的像素总数N P。在正交排列的图像传感器像素阵列中，水平方向的像素数为M，垂直方向的像素数为N，阵列像素总数为

N P＝M×N

像素数越高的图像信号，可以提供更多的图像细节信息，每1百万像素用1M N P 表示。在静止图像照相机应用中，采用CMOS图像传感器的商品数码单反照相机，阵列像素数可以达到36M，其M＝7360和N＝4912，这样的清晰度可以达到和超过传统的专业135mm胶片水平。高清数字电视（HDTV）的标准为2.1M像素，N P＝M×N＝1920×1080，而相比之下模拟电视时代PAL制电视的清晰度，在625行扫描和6.5MHz图像信号带宽下，最多也只能相当于约575×767＝0.44M像素的水平。采用CMOS图像传感器摄像的超高清

晰度电视制式（UHDTV）将达到8K标准，其总像素数N P＝7680×4320＝33M。图2.5所示为几种不同清晰度像素阵列规格画面的尺寸比较，在这些被

比较的阵列中，假设它们的单个像素尺寸都是相同的。这样一来从图2.5中这

些不同清晰度矩形所占的面积上，就可以清楚地比较出它们的图像信息量之间巨大的差别。

图2.5不同清晰度像素阵列的尺寸示意

2.2.3图像刷新速率和高速摄影

图像刷新速率决定完成一幅图像的曝光和读出所需要的时间，对于某一特定图像而言，无疑减少曝光时间是提高刷新速率的最直接方法。从图像传感器方面来看，当然提高灵敏度可以减少曝光时间，从而提高读出速率也是提高图像刷新速率的重要手段。在显示连续图像的应用中，像电视、视频和电影，图像在每秒时间更新的帧数都有一定的标准，利用人类视觉的惰性实现运动显示的连续性。

高清电视（HDTV）的刷新速率标准可以达到每秒120帧，以充分真实地表现

高速运动的画面，而图像传感器首先必须达到同样的刷新速率。在静止图像数码照相机应用中，图像刷新速率会影响相机的连拍速度性能。高速摄影在科学研究

和军事装备应用非常有用，往往要求图像刷新速率达到每秒1000帧以上，可

以获得高速运动的细节信息，供记录和用低的刷新速率重建显示，以观察高速运动的过程细节。

2.2.4图像数据的字长

如前所述，CMOS图像传感器芯片可以直接输出数字图像数据，这个数据的字长n决定了图像信息的动态范围，一个n bit二进制数所表达的最大数值为2n。当信号噪声的值小于数据的最低位LSB时，n bit图像数据表达的最大动态范围就是2n。常见CMOS图像传感器芯片输出数据字长及其最大动态范围见表

2.1。图像数据字长的增加，无疑对CMOS图像传感器系统的数据处理速率、传输和存储的容量都提出更高的要求。CMOS图像传感器使用高速并行数据传

输，使芯片必须采用高密度引脚和可以传输宽带数据的最新封装技术。

表2.1常见图像传感器输出数据字长