LV040-传感器参数
后面学习的 senor 主要用的还是 CMOS，这里主要了解一下 CMOS 的一些参数指标。
集成电路 CMOS 图像传感器测试方法：GB/T 43063-2023 现行
一、量子效率 QE（Quantum Efficiency）
光线通过相机的镜头聚焦在图像传感器（CMOS）上，CMOS 由阵列式的光电二极管（PD）组成，光电二极管负责将光信号转化为电子信号。假落在光电二极管上的光子数量为 Qp，依据光电效应，转化为 Qe 个电子，即：Qe = η*Qp。
这里的 η 是光电转化效率，需要注意的是，这个转化率并不是 100%（即 1 光子转化为 1 个电子），而是有一定的损失。我们将转化率称为量子效率（Quantum Efficiency），越高的量子效率，意味着图像传感器的灵敏度越高。
量子效率主要取决于光电二极管 p-n 结的结构和尺寸，通常在 10%-80%之间，并且跟波长有较大的关系。硅基半导体的禁带宽度（Band Gap）决定了其对绿光（波长 550nm）的量子效率最高，而对红外波段的感应效果最差，量子效率跟波长的关系大致如图所示。
二、暗噪声 DN（Dark Noise）
当没有任何光信号输入的时候，CMOS 传感器依然会产生一些电信号，这些电信号被称为暗噪声。暗噪声在图像上的呈现出随机噪点般的分布：
强度都比较弱，一般是 2-5 个电子 [e-] 的幅度。暗噪声跟温度的相关性较大，温度低的时候，暗噪声小，温度升高，暗噪声随之升高。由于汽车的工作温度范围较大，车载图像传感器一般要适应-40℃-80℃ 的工作温度，对暗噪声要求较高。
三、灵敏度阈值 AST（Absolute Sensitivity Threshold）
灵敏度阈值指的是最小可检测的信号强度，以光子数 [γ] 为单位。如图：
最小可检测信号受制于噪声水平的大小。如果噪声水平较高，那么 AST 的值就会相应地提高，对微弱信号的检测能力就会下降。例如夜晚暗光下的场景，如果要看清物体，就需要有更低的灵敏度阈值。
四、饱和值（Saturation Capacity）
饱和值代表了最大可检测的信号强度。光电二极管收到光照而产生的电子，需要临时存储在内置电容里，等待被读取。下图是电容饱和的示意图：
电容不断累积光电子，随着光电子数量的增加，电容逐渐饱和，无法再接收更多的光。电容的大小限制了最多能接收的光强度。饱和值越大，可检测的场景亮度越高，更适合在室外强光环境下工作。
当其中某个像素的光电二极管饱和之后，多余的电子容易溢出，影响其他的像素，从而产生拖尾效应，特别是对着太阳拍摄的时候，容易出现下图的情况。
过曝导致的拖尾效果
五、信噪比（SNR）
信噪比的定义是信号除以噪声，通常用分贝（dB）作为单位。更高的信噪比，意味着图像的对比度更清晰，在暗光环境下的性能更好，如下图所示：
信噪比对图像质量的影响（从左到右信噪比逐渐增高）
通常的 CMOS 信噪比大约在 40dB 左右。分贝和比例是对数关系，每增加 10 分贝，信号与噪声的比例增加 10 倍。一般车载 CMOS 会比手机 CMOS 的信噪比大，因为车载 CMOS 有更大的像素尺寸。
六、动态范围（Dynamic Range）
动态范围指的是 CMOS 传感器能接收的最强光和最弱光之间的比例。越高的动态范围意味着相机越能同时适应暗光以及亮光的场景。例如在车载的应用上，汽车从阴暗的隧道中驶出时，如果动态范围太小，就会看不清隧道外的场景，容易发生安全隐患。如下图，左边是低动态范围的 CMOS，无法看清隧道外的场景，右图是高动态范围的 CMOS，可清楚地看到外部的场景。
七、像素相关参数
1. 像素(Pixel)
像素是所有图像传感器的最小感光单元，像素阵列排列在一起形成了图像传感器的感光区域。
2. 像素尺寸
像元尺寸就是是指芯片像元阵列上的每个 pixel 的实际物理尺寸，通常的尺寸包括 14um、10um、9um、7um、6.45um、3.75um、3.0um、2.0um、1.75um、1.4um、1.2um、1.0um 等，也可以叫像素尺寸。例如 OV8858 这款 sensor 的芯片手册中就会有这么一个参数：
像元尺寸一定程度上可以反映芯片对光的响应能力，像元尺寸越大，能够接收到的光子数量越多。在同样的光照条件和曝光时间条件下，产生的电荷数量越多。对于弱光成像而言，像元尺寸是芯片灵敏度的一种表征。
3. 分辨率
常见分辨率的感性表述即 30 万、100 万、200 万，正确表述应该为 0.3M、1M、2M，其中 M 代表百万，是像素单位。Sensor 分辨率即指在单位面积上，像素的个数，数值越大，则代表像素点越多，捕获的图像细节越多，或者说图像更清晰。
表示方式：水平像素数 × 垂直像素数（例如 4000×3000 像素，1920x1080 像素）。
分辨率越高，图像细节越丰富，但也会增加数据量和处理需求。
4. 有效像素阵列
有效像素阵列是指在 sensor 的水平 H（Horizontal）和垂直 V（Virtical）方向上，分别含有的有效像素点的个数，很多时候，并不是所有感应器上的像素都能被运用。通常其余部分被用来表示黑色，H 与 V 的乘积一般等于或大于分辨率数值。
大多数 sensor 像素总数等于有效像素数，有的 sensor 存在黑电平参考区域，该区域内像素作为黑电平标定使用，不作为最终输出像素。例如 IMX335LQN_Flyer.pdf:
有效像素是 2616x1964，就是指所有可以用的像素，实际我们一般是使用推荐的像素 2592x1944，当后续需要裁剪/偏移之类的操作，可以留有余量。
5. 宽高比
宽高比（Aspect Ratio）是指传感器感光区域的 宽度与高度之间的比例关系，通常用冒号分隔的两个数字表示（如 4:3）。它决定了传感器捕获图像的基本形状，类似于画布的长宽比例。传感器本身由数百万个像素点阵列组成，宽高比直接影响这些像素的分布方式。例如，一个 4:3 的传感器意味着在水平方向每 4 个单位长度对应垂直方向 3 个单位长度。
- 传感器宽高比是硬件固有的，由传感器的物理尺寸决定。例如，全画幅传感器通常基于 35mm 胶片标准，采用 3:2 比例；而手机传感器多采用 4:3，以节省空间并适配显示屏。
- 宽高比不同于分辨率（如 1920x1080），后者指像素数量，但宽高比会影响分辨率的具体分配（如 16:9 的 1080p 视频，宽度为 1920 像素，高度为 1080 像素）。
宽高比的选择往往源于历史、行业标准或应用需求。以下是一些典型示例：
- 4:3：起源于早期电视和模拟摄像机，如今常见于手机摄像头、监控设备和微单相机。这种比例更接近正方形，适合肖像或文档拍摄，因为它在垂直方向有更多空间。
- 3:2：源自 35mm 胶片相机，是全画幅和 APS-C 画幅单反相机的标准。它更接近黄金比例，在风景和人像摄影中能提供平衡的构图。
- 16:9：随着高清电视和宽屏视频普及而成为主流，适用于电影、电视节目和网络视频，能最大化水平视野。
- 1:1：正方形比例，曾流行于中画幅胶片相机（如哈苏），现在多见于社交媒体（如 Instagram），强调对称和简洁。
- 其他比例：如 21:9（超宽屏电影）或 5:4（部分专业摄影），这些通常用于特殊场景。
宽高比的多样性反映了不同领域的优化需求：例如，视频强调宽屏沉浸感，而摄影可能更注重打印或裁剪灵活性。
6. 像素类型
主要分为 FSI（前照式）、BSI（背照式）、堆栈式（Stack）三种，FSI（前照式）金属配线层在 CFA 和光电二极管的中间，当光线进入二极管时会有损失，BSI（背照式）则将金属配线层放在了光电二极管的下面，光线透过彩色滤波片后可直接进入到光电二极管，不仅增大了进光量，且有效抑制光线射入角变化引起的感光度下降。堆栈式（Stark）则是背照式的进一步改良，将电路区域挪到了感光元件的底部，最大化了感光区域，同时也缩小了芯片的整体面积。
 |  |  |
八、靶面尺寸
1. 什么是靶面尺寸
靶面尺寸的核心，是 相机图像传感器的物理大小，它是感光元件接收光线、形成图像的核心区域。靶面尺寸的本质：传感器的“成像范围边界”。
工业相机的靶面，对应传感器的有效感光区域，通常用“宽 × 高”或“对角线长度”描述（单位：mm）。它直接决定两个关键：
- 成像视野：靶面越大，相同焦距镜头下能覆盖的拍摄范围越广（比如 1 英寸靶面比 1/3 英寸靶面，在 25mm 镜头下视野宽 3 倍以上）；
- 镜头适配性：只有镜头的“成像覆盖范围”能包住靶面，才能避免画面缺失。
2. 怎么计算？
2.1 直接尺寸（单位：mm）
这是最直接和精确的方式，通常表示为 宽度(W) x 高度(H)，单位是毫米（mm）。
- 计算原理： 靶面尺寸 = 单个像素尺寸 x 该方向上的有效像素数
宽度 (W) = 像元尺寸(μm) * 水平有效像素数 (H_pixels) / 1000 (将 μm 转换为 mm)
高度 (H) = 像元尺寸 (μm) * 垂直有效像素数 (V_pixels) / 1000
- 举例： 一个相机像元尺寸是 3.45μm x 3.45μm，分辨率是 2448 x 2048。
宽度 W = 3.45 μm * 2448 / 1000 = 8.4456 mm ≈ 8.45 mm
高度 H = 3.45 μm * 2048 / 1000 = 7.0656 mm ≈ 7.07 mm
因此该相机的靶面尺寸约为 8.45mm x 7.07mm。
2.2 光学格式（单位：英寸 "）
是历史沿袭下来的表示法（源自早期的摄像管），用英寸表示，并带有引号（如 1/1.8 ", 1/2.5", 1 ", 2/3" 等）。这个个 英寸数并不是传感器的实际对角线长度！它是一个“光学格式”代号。实际对角线长度大约是标称值的 2/3。
- 计算原理：计算实际对角线尺寸（近似）
实际对角线长度 (mm) ≈ 光学格式标称值 (英寸) * 16 mm
为什么是 16？ 这是历史约定俗成的转换系数（1 英寸光学格式对应的实际对角线约为 16mm）。是历史上 1 英寸显像管除去玻璃厚度之后实际有效显示面积是一个约 16mm 直径的圆，是个历史遗留下来的工业习惯问题。
- 举例：
标称 1 " 靶面：实际对角线 ≈ 1 * 16mm = 16mm
标称 2/3 " 靶面：实际对角线 ≈ (2/3) * 16mm ≈ 10.67mm
标称 1/1.8 " 靶面：实际对角线 ≈ (1/1.8) * 16mm ≈ 8.89mm
注意： 不同制造商、不同时期对同一标称格式（如 1/1.8 "）的传感器，其精确尺寸可能略有差异。因此，对于关键应用，务必查阅相机的详细规格书（Datasheet） 获取精确的宽高尺寸（单位 mm）。
2.2 对角线长度（单位：mm）
有时也会直接给出传感器的对角线长度（mm）。知道对角线长度和宽高比（通常为 4:3， 3:2 或 1:1），可以推算出宽度和高度（利用勾股定理）。
2.3 常见的靶面尺寸
3. 决定了哪些关键因素
3.1 视野 FoV
这是 最直接、最重要的影响。在相同的 工作距离（WD） 和 镜头焦距（f） 下，靶面越大，能看到的视野范围（FoV）就越宽。
可以参考 05-Camera/01-Camera 基础/LV020-透镜成像.md 中的视场角部分
3.2 镜头匹配
相机与镜头的靶面尺寸需要匹配。不匹配时可能会出现画面“黑角”、视野偏差，甚至重新采购镜头增加成本；也有人为追求“高端镜头”，用大靶面镜头搭配小靶面相机，造成性能浪费。
镜头的靶面尺寸，指的是 镜头能形成完整清晰成像圈的最大传感器尺寸——允许理解为镜头“覆盖能力”的上限。两者的匹配逻辑，直接影响成像效果：
- 镜头靶面 ≥ 相机靶面：成像圈能完全覆盖传感器，画面无黑角，成像完整（最优状态）；
- 镜头靶面 ＜ 相机靶面：成像圈无法覆盖传感器边缘，画面四角出现“黑角”（或暗角），严重时边缘区域无图像，直接导致检测漏判（如 PCB 边缘线路无法拍摄）；
- 镜头靶面 远大于 相机靶面：虽无黑角，但镜头的“管用成像区域”仅用了中心部分，相当于“大马拉小车”——不仅浪费镜头性能（如高分辨率镜头的边缘画质未利用），还增加成本与设备体积（大靶面镜头通常更笨重）。
3.3 景深（Depth of Field - DoF）
在相同光圈值（F）和相同视野（FoV） 下（这意味着需要更换不同焦距的镜头来保证 FoV 相同）：
使用 大靶面 相机通常需要搭配 更长焦距 的镜头来获得与小靶面相机相同的视野。
景深与焦距平方成反比 ，因此，使用更长焦距镜头的大靶面相机，在相同光圈和相同 FoV 下，其 景深会更浅（背景虚化更明显）。
如果保持相同焦距和光圈，那么大靶面相机视野更大，但其景深与小靶面相机在相同焦距光圈下（视野更小）的景深理论上是相同的。但实际应用中，为了获得特定视野，靶面大小直接影响所需镜头焦距，从而间接影响景深。
九、帧和帧率
1. 帧的概念
简单来说，一帧就是一副图像。显示器上面我们看到的画面就是一帧一帧的显示的。只不过显示的速度足够快，人眼以为画面是运动的。
2. 帧率
帧率（Frame Rate），是指芯片在单位时间（每秒）内能够采集并输出完整图像帧的数量，单位为帧 / 秒（fps） 。图像传感器芯片通过像素阵列收集光线并将其转化为电信号，随后经过一系列复杂处理，如放大、模数转换等，最终形成数字图像帧。帧率表征了这一系列操作在每秒内完成的次数。例如，帧率为 60fps 的芯片，意味着每秒能将光线转化并处理成 60 个完整的数字图像帧输出。
十、时间相关参数
1. 像素时钟(MHz)
像素时钟频率（MHz）：是控制像素输出的时钟，即pixel采样时钟，一个clk采集一个像素点 , 单位MHz。表示是每个单位时间内（每秒）采样的pixel数量。
2. 曝光时间(exposure_time)
曝光时间，指一帧曝光了多长时间，这里是绝对时间。单位用秒（s）、毫秒（ms）或微秒（us）表示。
3. H_Blank/V_Blank
H_Blank：是指行消隐或称水平消隐，如下帧结构示意图所示，假定曝光起始位置在图像的左上角，对于逐行曝光的 sensor 来说，曝光从第一个像素开始，依次曝光直至这行的最后一个像素曝光结束，这时曝光位置要从此行的尾部快速移动到下一行的头部，开始下一行的曝光，这段行与行之间的返回过程称为H_Blank。
V_Blank：是指场消隐或称垂直消隐，如下帧结构示意图所示，假定曝光起始位置在图像的左上角，曝光完成一帧图像后，曝光位置要从图像的右下角返回左上角，开始新一帧的曝光，这一段时间间隔称为V_Blank。
参考资料：
相机（Camera）成像原理详解_相机成像原理-CSDN 博客
PBR 来龙去脉篇一：光和人眼感知颜色_人眼亮度敏感曲线-CSDN 博客
图像传感器原理介绍 （史上最详细的 CCD 和 CMOS 介绍）_微视界
全面详细解析 CMOS 和 CCD 图像传感器 - 吴建明 wujianming - 博客园
CMOS 图像传感器的参数和评价标准_cmos 弱光-CSDN 博客
工业相机与镜头靶面尺寸的关系：从原理到选型的避坑指南 - 教程 - ljbguanli - 博客园
(3 封私信) 工业相机的靶面是什么？它影响了哪些因素？ - 知乎
(3 封私信) 键盘摄影（五）——相机成像元件：CMOS/CCD - 知乎
Camera 和 Image sensor 技术基础笔记(1) -- 光和 CCD/CMOS sensor 基础知识_sensor blooming-CSDN 博客