Canon CMOS图像传感器应用和选型

一、CCD和CMOS图像传感器

常见的数字感光元件有两种：CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）。1980年代，CCD进入消费级市场，并长期占据中高端市场。CMOS图像传感器最初作为廉价、低画质的代名词，但是在2008年之后逐渐成为市场主流。如今已经广泛应用于手机、汽车、安防、医疗、单反、电脑等领域。

图1：CCD和CMOS图像传感器的差异

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器是利用CMOS工艺制造的图像传感器，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N(带-电)和P(带+电)级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。

1.1 CMOS图像传感器核心技术指标

（1）有效像素总数：所有有效像素的总和，是衡量CMOS图像传感器的主要技术指标之一，直接决定了CMOS图像传感器的分辨率以及图像的清晰度。

（2）像素尺寸(μm)：像素尺寸是指每个像素点的尺寸，在有限的感光元件尺寸下，更小的像素点尺寸意味图像分辨率更高。但像素的进光量也会减少会使得感光度性能下降。

（3）光学尺寸(英寸)：光学尺寸是指传感器感光元件的尺寸，通常指图像传感器对角线的长度，该尺寸越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。

（4）帧率(fps)：指单位时间记录图像的帧数，决定了录像的流畅程度和抓拍能力。

（5）信噪比：指信号电压相对于噪声电压的比值，信噪比越高图像质量越好；

（6）动态范围(dB)：指输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比，反映传感器的信号处理能力；

（7）感光度(V/lux*sec)：指图像传感器对入射光功率的响应能力，也被称为响应度，CMOS图像传感器通常采用电流灵敏度来反映响应能力；

（8）量子效率：表征图像传感器的光转换为电子的能力，量子效率越高，光电转换能力越强，感光度越高，成像也越明亮。

1.2 CMOS图像传感器按照快门分类：

根据CMOS图像传感器快门曝光方式不同，可分为全局快门(Global Shutter，GS)式和卷帘快门(Rolling Shutter，RS)式2种：

（1）卷帘快门式(RS)：CMOS图像传感器指同一帧图像中，各行的曝光时刻不同，下一行的曝光时刻比上一行推迟一整行读出周期对于运动物体，卷帘快门CMOS图像传感器拍摄的图像会存在较大的形变。

图2：全局快门的优点

（2）全局快门(GS)：全局快门式CMOS图像传感器是指所有像素的曝光时刻均相同，同时开始曝光，同时结束曝光，器件成本会大幅提高，同时成像质量也要降低。

1.3 按照感光元件安装位置，主要分为3种：

（1）前照式(FSI)：传统结构，光线需要经过金属线路层的开口，方可到达感光元件层以进行光电转换，光线会有损失。

（2）背照式(BSI)：将感光元件层更换至线路层上方，光线损失大幅减少，但是生产工艺比FSI结构复杂、成本较高。BSI是中高端CIS主流技术结构。

（3）堆栈式(Stack)：在BSI结构的基础上的进一步改良，所有逻辑电路层被移至感光元件的下方，芯片的整体面积得以极大地缩减，图像质量也得到大大优化。

图3：CMOS图像传感器的三种主要结构

二、Canon的CMOS图像传感器特点：

佳能在中国大陆市场销售的传感器产品主要为高分辨率产品系列和机器视觉/监控产品系列，按照产品类型可分为高分辨率传感器、全局快门传感器及一般用途传感器，涵盖1/1.8英寸、1/2.32英寸、2/3英寸、1英寸、APS-H、全画幅等多种不同的光学尺寸，以满足中国传感器市场的多元化需求。

2.1 2.5亿高分辨率带来更清晰的画面，满足更广泛的传感器使用需求

在影像传感器产品所应用的平板显示器检测、工业用途检查、影片制作与储存、大范围监控等领域，4K与8K技术的进步对传感器的分辨率提出了更高的要求。佳能全新APS-H尺寸CMOS影像传感器LI8020SAC（彩色）与LI8020SAM（黑白），能以约2.5亿像素的分辨率捕捉影像，因此可在更大范围区域内拍摄影像，还能保留整个影像的精致细节。

图4：Canon推出2.5/1.2亿像素CMOS图像传感器

传感器可提供每秒约12.5亿像素的高像素读出速度，让传感器得以在全像素读出期间，也能以大约每秒5 fps的速率捕捉高分辨率的影像，大幅减少由于像素数与信号量的增加所导致的信号延迟问题。这两款产品还搭载了ROI（关注区）功能，可让使用者从任意区域读取传感器的信号，进而减少信号读取量，且能以更高的画格率捕捉影像。使用此功能后，能用24 fps拍摄8K（7680 x 4320像素）影片、用30 fps拍摄4K（3840 x 2160像素）影片，以及用60 fps拍摄Full HD（1920 x 1080像素）影片。

2.2 近红外线光谱清晰可见，在食品检验和医疗检测领域“大显身手”

佳能的另一款高分辨率CMOS影像传感器产品——LI8010SA传感器采用APS-H格式(29.22mm x 20.20mm)，像素尺寸为2.2um，分辨率高达1.2亿像素，即使在使用图像修整或电子变焦时也可以获得高清晰度的图像，传感器有28种数字输出，所以可以实现帧频9.4 fps全分辨率。

图5：一个传感器同时可以捕获可见光和近红外光

搭载全新RGB-IR滤色器的LI8010SAI（RGIRB）CMOS影像传感器是一款不仅能看到可见光，还能看见近红外线光谱的影像传感器，在食品检验和医疗领域，这款产品都可以大显身手。全新RGB-IR滤色器将该RGGB滤镜阵列替换为RGIRB滤镜阵列，仅使用一个传感器即可同时捕获可见光与近红外光。近红外光谱下都可以看到什么？实际上，在可见光下难以分辨的水果颜色和静脉血管等，在近红外光谱下都清晰可见。即将变质的食品、静脉血管的脉络在这款CMOS的“慧眼”下都可以瞬间判断出来。

图6：在医学和食品检验上的应用

2.3 1900万像素全局快门，满足高灵敏度与高速图像捕捉需求

在佳能的机器视觉/监控的产品系列中，1900万像素全局快门CMOS影像传感器LI5030SA是一款具有低照度成像特性和高动态范围的全局快门传感器，这款产品根据不同功能可分为LI5030SAC（彩色）、LI5030SAM（黑白）、LI5030SAI（彩色+近红外）和LI5030SAN（无微透镜阵列或滤色器）四种类型，非常适合需要高灵敏度、高图像质量、高速信号读出的应用领域，如显微镜观察相机、光学显微镜相机、交通监控等。

佳能的新传感器具有全局快门，能够捕捉高速移动物体的准确无失真图像，以及使用传感器的相机高速移动时的图像捕捉。此外，这些传感器实现了约1900万像素（5688 x 3334）的高效像素计数，是4K图像的2.3倍多，从而实现了宽视角和高分辨率的图像捕获。此外，虽然传统的图像传感器对于高像素计数需要长时间的信号读出，但由于更快的内部驱动电路和信号处理电路，这些新传感器保持了快速的信号读出速度，而不会降低帧速率，这使得在输出所有有效像素时可以实现大约58 fps的快速读出速度。