图像传感器的像元大小对图像质量的影响（上）
2026-06-24 来源:本站 点击次数:8
有一个普遍的误解，即有较大像元尺寸的图像传感器总是比有较小像元尺寸的图像传感器更灵敏，然而情况并非总是如此。为了解释为什么这是一个误传而不是事实，我们最好先看看图像传感器的像元大小会如何影响图像质量，尤其是对由量子效率决定的整体灵敏度的影响。
量子效率
光电检测器或图像传感器的“量子效率”(QE) 描述了入射光子与转换电荷载流子的比率，该电荷载流子作为信号从设备中被读出。在CCD、CMOS或sCMOS相机中，量子效率表示相机将光转换为电荷的效率，因此它是一个非常好的用来比较此类系统灵敏度的参数。当光或光子落在半导体（例如硅）上时，会产生多种不同机制的损耗。
图 1：具有能将光子转换为电荷载流子的光敏区域且厚度为d的半导体材料。
该图显示了当光穿透材料时光子通量会发生什么改变1。
该图显示了当光穿透材料时光子通量会发生什么改变1。
图 1 展示了光子撞击具有光敏区域的半导体的结果分析。该图还显示了一条曲线，该曲线表示光照射到半导体并部分穿过它时的光子通量。正如橙色光子通量曲线所示，它的一部分因为表面反射而损失，因此采用适当的抗反射涂层可以有效地减少这种损失。
在此之后，一部分光子在半导体的光敏区域中被转换为电荷载流子，而其余部分则被传输。在此图表示的过程中，量子效率可以定义为：
这里，(1 − R)为材料表面的反射损失，可以通过适当的涂层来最小化；ζ为部分电子-空穴对（电荷载流子），对光电流有贡献并且没有在材料表面复合再结合；(1−e−α∙d)被半导体吸收的部分光子通量，因此厚度 d 应该足够大以增加该部分的贡献。
由于这些图像传感器的基本材料硅的不同吸收特性以及每个图像传感器的结构不同，它们的QE光谱也因此而不同。
图 2：测量的吸收系数和硅作为太阳能电池材料的渗透深度2。
这在图2中进行了说明，该图显示了太阳能电池中使用的硅的光谱相关吸收系数（见图2 – 蓝色曲线）。第二条曲线（见图2 – 红色曲线）描绘了光在硅中的穿透深度，是蓝色曲线的倒数，在本情况中，使用的材料很可能没有增透膜。Green和Keevers2 撰写的这篇论文还测量了硅的光谱相关反射率，这如图3所示，曲线代表上述量子效率方程中的因子R。
图 3：测量的硅反射率——硅作为太阳能电池中使用的材料3。
对于相机系统来说，通常会给出整个相机系统的QE，这包括了非材料相关的损失，如填充因子、窗口和盖板玻璃的反射等。在数据表中，此参数以百分比的形式给出，因此 50% 的 QE 意味着平均需要两个光子来生成一个电荷载流子（电子）。
像元大小和填充因子像元的填充因子（见图 4）描述了感光面积与像元总面积的比率。图像传感器中像元的一部分面积总是被用于晶体管、电线、电容器或寄存器的布置，这是相应图像传感器（CCD、CMOS、sCMOS）的像元结构部分；而只有光敏感部分可有助于被检测到的光转换为电荷载流子。
图4：具有不同填充因子的像元（蓝色区域对应于光敏区域）：
[a] 填充因子为75 %的像元，[b] 填充因子为50%的像元和在上方放置微透镜的[c]填充因子为50%的像元。
[a] 填充因子为75 %的像元，[b] 填充因子为50%的像元和在上方放置微透镜的[c]填充因子为50%的像元。
图 5：具有不同填充因子的像元（蓝色区域对应于光敏区域）和照射它们的光线（橙色箭头）的横截面图。虚线光线表示该光对信号没有贡献：[a]填充因子为75%的像元，
[b] 填充因子为50%的像元，[c] 在顶部加微透镜且填充因子为50%的像元。
[b] 填充因子为50%的像元，[c] 在顶部加微透镜且填充因子为50%的像元。
如果填充因子太小4，通常通过加微透镜来提高填充因子。透镜镜头收集照射到像元上的光线，并将光线聚焦到像元的感光区域（见图5）。
表 1：参数之间的关系
尽管采用微透镜对于填充因子低于100%的像元总是有帮助的，但仍有一些物理和技术上的限制需要考虑。（见表2）
表 2：一些限制
像元尺寸和光学成像
图 6：使用基于薄透镜的简单光学系统进行的光学成像，其特征在于一些几何参数：
f - 镜头焦距，Fo - 物侧镜头的焦点，Fi - 像侧镜头的焦点，xo – Fo 和物体之间的距离 = 物距，
xi – Fi和 成像之间的距离，Yo - 物体尺寸，Yi – 成像尺寸
xi – Fi和 成像之间的距离，Yo - 物体尺寸，Yi – 成像尺寸
图 6 展示了基于薄透镜的简单光学系统的光学成像。在这种情况下，牛顿成像方程是有效的：
尾注：
- 图像灵感来自于Figure 17.1-1, “Fundamentals of Photonics”, B.E.A. Saleh and M.C. Teich, John Wiley & Sons, Inc., 1991.
- 数据来自于 Green, M.A. and Keevers, M. “Optical properties of intrinsic silicon at 300 K”, Progress in Photovoltaics, p.189-92, vol.3, no.3; (1995).
- 数据来自于 Green, M.A. and Keevers, M. “Optical properties of intrinsic silicon at 300 K”, Progress in Photovoltaics, p.189-92, vol.3, no.3; (1995).
- 填充因子可以很小，例如：行间传输 的CCD 图像传感器的像元，它的35% 的像元区域用于移位寄存器或CMOS传感器的全局快门，其中晶体管和电引线导致40%的填充因子。
- 对于一些大像元，使用效率较低的微透镜仍然可能有用，例如，如果透镜可以防止过多的光落在像元的外围。
【关于埃赛力达科技Excelitas Technologies Corp.】
埃赛力达是一家技术经验丰富供应商，致力于提供先进的、改善生活的革新技术，为生命科学、先进工业、新一代半导体、航空航天等各终端市场的全世界企业提供服务。公司总部位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡。埃赛力达是光子技术设计、开发和制造领域的重要合作伙伴，为全世界客户提供传感、检测、成像、光学和特种光源方面的前沿创新技术。
广州市元奥仪器有限公司作为埃赛力达在国内的核心代理商，根据用户的不同需求提供具备高性能、高质量的产品，为客户提供专业的方案与报价，欢迎咨询！
【关于元奥仪器】
广州市元奥仪器有限公司从事引进欧美高端光电相关领域的仪器设备与提供系统集成的服务商。
本公司是一家有一定工程技术根基的高质素专业公司，为客户提供专业的高端的仪器与产品。我们拥有充满活力的销售队伍与受过原厂培训、经验丰富的售后服务队伍，同时我们具有丰富仪器技术知识和应用经验的人员，这是我司成功和发展的基本保障，是我们的信心所在，也是客户寄以信任的基础，我们衷心感谢各位客户长期以来对我司的充分信赖和鼎力支持。我司代理众多国际上高端品牌的光学成像系统与光机系统，如德国Excelitas PCO公司、加拿大Excelitas LED光源、美国FLI公司、美国MEDIACY公司、英国Prior公司、美国BNC公司、日本GOYO OPTICAL公司等等。
我司凭借多年在成像领域的应用经验与成功案例，我们为您提供各种成像设备与系统产品，科学级CCD相机、高速摄像机、高灵敏度相机、工业相机、超高灵敏度相机、sCMOS科学相机与水下摄像机。主要应用在天文成像、工业成像、光谱成像分析、机器视觉和其他在科研对成像有高要求的测量领域。
我们以专业的知识及热忱的服务，期望为用户提供途径而达到更好的工作效率而努力，本着不断吸收新知的精神，让用户能享用信息科技所带来的便利。努力保持在物理光学、高速摄影、工业检测、分析化学，环境环保等领域的仪器设备各方面上给用户提供全新的技术产品。
“专业的知识，优质的售后服务，专门的技术支持力量”，这是我公司所一向的待客宗旨，把一整套优质的服务贯彻于售前、售后服务中，这是我们的承诺。
我们所代理的仪器设备已广泛应用于各著名大学、研究单位、工业生产领域、医院等。让我们与新老客户朋友一起，继往开来，与时共进......如对相关产品感到兴趣，欢迎随时联系交流，公司网址：www.gzyaco.com、电话：400-860-2677。
相关文章
更多 >