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- 嵌入式視覺需求增 影像傳感器設計考慮更復雜
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2017/5/17
2D數(shù)組中包含多行的像素，而數(shù)組大小將決定傳感器的最大幀率。通常為了實現(xiàn)更高的幀率，并將2D組件平行讀取多個像素。除此之外，2D組件亦可執(zhí)行窗口操作(又稱為感興趣區(qū)域，ROI)，并讀取特定感興趣的區(qū)域，以獲得更高的幀率。這類組件可用于眾多領域，而且信息包含在2D影像中，例如先進輔助駕駛系統(tǒng)(ADAS)、監(jiān)控或科學研究領域。
在決定了影像感測的格式及所需分辨率后，再來必須考慮的是「像素間距」。因為它決定了像素的大小，而這關系到入射光子所產(chǎn)生的電荷有多少能夠被收集。因此，較小的像素間距意味著在一個整合周期內(nèi)(傳感器暴露于影像中的時間)能夠收集較少的電荷。若像素間距較小，則意味著捕捉影像需要更長的整合時間，這會影響到傳感器捕捉快速移動中影像的能力，并且使得低光源拍照效能下降。
慎選傳感器以確保量子效率
確定傳感器格式后，即須考慮究竟是使用CCD、CMOS或其他更專業(yè)的技術。對此的重要參考指標是量子效率(QE)；意指組件通過光子產(chǎn)生電子的效率。通常，一般希望在可見光譜內(nèi)QE值越高越好，這對于低光源應用也具重要意義。影響組件QE值的因素有三個：吸收、反射和透射。其中組件結構是導致QE值降低的主因，如金屬導線或多晶硅閘(Poly silicon gate)等的電路吸收光子或?qū)⒐庾臃瓷洌瑢е孪袼卦诮M件中被頻蔽，從而使QE值降低，因此要慎選傳感器。
前照式：
對于這類組件，光子先前介紹的傳統(tǒng)方式打在組件的前端，像素可能被遮蔽，QE進而降低。
背照式：
這類型的組件的背板經(jīng)過由后期處理削薄，以便在后端接收光照，從而不受其他設計組件的阻擋。薄型背照式組件能實現(xiàn)優(yōu)化的QE值。
用戶還必須從以下三點去考慮影像傳感器中所允許的噪聲：
組件噪聲：
此噪聲為暫時性的，包含散粒噪聲及輸出放大器和復位電路產(chǎn)生的噪聲。
固定圖像噪聲(FPN)：
呈空間分布，并在相同的光照強度下，像素呈不同反應所引起的噪聲。FPN通常由每個像素的不同偏移和增益響應引起；偏移部分通常稱為DSNU(Dark Signal Non-Uniformity)，增益部分稱為PRNU(Photo Response Non-Uniformity)。有多種方法可以彌補FPN，而最常見的方法則是對輸出訊號作相關二次取樣。
暗電流：
由影像傳感器中的熱噪聲引起，甚至在無光照的情況下也會出現(xiàn)。暗訊號對最終影像質(zhì)量的影響取決于幀率；較高的幀率下影響不大，然而，隨著幀率降低(如科學應用)影響會較明顯。由于暗電流與溫度息息相關，故在需要低暗電流的情況下，通常是利用像Peltier等的冷卻器來降低影像組件的工作溫度。
理解影像傳感器的噪聲模式后，便能決定要實現(xiàn)多大的訊號噪聲比(SNR)。
動態(tài)范圍代表傳感器影像捕捉能力
確定組件的噪聲效能后，就可以界定影像傳感器所需的動態(tài)范圍。動態(tài)范圍代表傳感器在一定光照強度范圍內(nèi)捕捉影像的能力，單位以dB或以比例計算。這代表一個影像中同時包含高照度與暗區(qū)。
傳感器的實際動態(tài)范圍由像素的滿電位井容量決定，也就是像素飽和前所能承載的電子數(shù)量。將容量除以讀取噪聲，便能將比例轉(zhuǎn)換為以dB為單位的值。
(電位井容量e-)/(讀取噪聲e-)
通常利用PTC(Photon Transfer Curve)測試法來確定動態(tài)范圍，畫出噪聲與電位井容量的關系曲線。
如果組件具有數(shù)字輸出，可通過以下公式利用輸出端的位數(shù)計算該值。
動態(tài)范圍(dB)=20 Log10(2^總線寬度)
然而，這并不代表組件的動態(tài)范圍，只是說明流排寬度所能代表的潛在范圍，而沒有考慮傳感器效能因素。
I/O標準也非常重要，不僅用來輸出像素數(shù)據(jù)，亦用來輸出指令和控制接口。這與幀率有關，例如LVCMOS界面不適用于高幀率應用，但卻可用于簡單的監(jiān)控攝影機。隨著幀率、分辨率和每像素位數(shù)的增加，影像傳感器正朝向采用LVDS系列或SERDES技術的專用高速串行鏈的趨勢發(fā)展。
依據(jù)應用考慮選擇單色/彩色傳感器
現(xiàn)在已經(jīng)探討了影像傳感器的多個重要觀點，另一個尚未考慮的則是彩色或單色傳感器。無論選擇彩色或單色，皆取決于應用場合。
彩色傳感器：
需在每個像素上使用貝爾圖形，在一條在線交替變換紅和綠色，并在下一條在線交替藍和綠色(綠色用得較多是因為人眼對綠色波長較為敏感)。這意味著要對接收到的光子進行濾波處理，使每個像素只接收所需波長的光子。用戶可以針對影像進行后續(xù)處理，以決定像素顏色，并用不同顏色圍繞像素來重建每個像素上的色彩，且不會降低影像分辨率。
彩色傳感器使重建和輸出影像所需的圖像處理鏈變得復雜。此外，貝爾圖形確實會導致分辨率降低，但沒有想象中差，通常降幅為20%。
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