圖像傳感器可將光信號轉化為電信號，其光電參數直接決定了成像質量，是所有成像設備中的核心關鍵器件。圖像傳感器分為 CCD器件和CMOS 器件。CMOS圖像傳感器在幀頻、集成度、可靠性、功耗和成本等方面優勢明顯。隨着 CMOS 技術的不斷進步，CMOS 圖像傳感器的成像性能已接近或超越 CCD 器件，在高端工業、醫療、和科研應用中逐步取代 CCD，成為主流圖像傳感技術。
無論是 CMOS 或 CCD 圖像傳感器，其光電參數都可依據業界成熟的 EMVA1288 標准進行評價。
圖像傳感器的主要光電參數
CMOS 和 CCD 圖像傳感器的性能指標可分為光學指標和電學指標，而其成像質量主要取決於以下光學指標：
- 分辨率及像元尺寸（Resolution and Pixel size）
- 快門類型（Shutter Type）
- 量子效率（Quantum Efficiency, QE）
- 靈敏度（Sensitivity）
- 暗噪聲（Dark Noise）
- 滿阱容量（Full Well Capacity, FWC）
- 動態范圍（Dynamic Range, DR）
- 暗電流（Dark Current, DC）
除上述光學指標外，圖像傳感器的電學指標，如幀頻、功耗、輸出格式及數據率也是設計成像系統時需要考慮的重要指標。
1) 分辨率及像元尺寸
圖像傳感器的感光區是由多個像元排列的一維或二維矩陣，其中像元（或像素）為單個感光單元。圖像傳感器的分辨率通常由該矩陣的橫縱方向的像元數表示，如 1920 x 1080，或由其乘積表示，如 2 百萬分辨率(2MP)。
像元尺寸為每個像元的物理尺寸，即相鄰像元中心的間距。像元尺寸越大，能收集到的光子數越多，芯片靈敏度越高，意味着在同樣的光照條件下和曝光時間內，芯片能收集到的有效信號越多。在光強可控的工業應用中，像元尺寸一般在 4.5-6.5 微米之間；而在微光應用中，像元尺寸多在 10 微米到 24 微米之間，以保證足夠的靈敏度，提升圖像信噪比；在 X射線成像應用中，多采用 10-16 微米的像元，可有效降低所需射線劑量，減少對人體不必要的輻射。同時，像元尺寸越大，滿阱越高、動態范圍越大，圖像傳感器的成像性能越好。然而在相同分辨率下，像元尺寸越大，芯片面積越大，芯片的成本和價格也會隨着像元尺寸成平方關系增長。
圖像傳感器的光學尺寸（Optical Format）是指圖像傳感器感光區域對角線的長度，一般用英寸表示。由於幾乎所有的工業鏡頭都按照傳感器的光學尺寸來進行分類，它是圖像傳感器最常用的指標之一。由於歷史原因，1”圖像傳感器的對角線長度為 16 毫米（而不是我們一般認為的 25.4 毫米）。例如，主流工業應用的圖像傳感器為 2/3”，其感光區域對角線長度為 10.7mm。
2) 快門類型
CMOS 圖像傳感器片上集成電子快門，根據像素設計的不同，分為全局快門和卷簾快門。使用全局快門芯片時，所有像素同時開始曝光並同時結束，可捕捉高速運動物體的瞬時狀態。
全局快門：在全局快門像素設計中，每個像素中必須集成一個信號存儲單元。當曝光結束后，每個像素將其所捕捉的信號轉移至各自的存儲單元中，然后逐行讀出。
由於在像素內集成存儲單元需要相對復雜的電路結構，降低了像素內有效感光面積，因此全局快門 CMOS 圖像傳感器一般噪聲較高、靈敏度和動態范圍較低，如 Sony IMX174 的讀出噪聲為 7 個電子，CMOSIS 的 CMV 系列讀出噪聲為 13 個電子。
卷簾快門：和全局快門不同，卷簾快門的每行像素開始曝光和截止曝光是在不同時間點發生的，但是所有像素的實際曝光時間是相等的。因卷簾快門像素內沒有存儲單元，曝光結束后，信號必須被馬上讀出。因為傳感器無法在同一時刻讀出所有行的信號，因此曝光須逐行停止、逐行讀出。為了保證每行像素的曝光時間相同，因此每行的開始曝光時間也需要順移。卷簾快門的工作模式如下圖所示：
卷簾快門工作原理
因無需存儲單元，卷簾快門像素設計相對簡單，可以最大程度優化有效感光面積，提升傳感器的靈敏度，降低噪聲。比如 BAE Systems、濱松和長光辰芯光電的 sCMOS 傳感器在卷簾快門模式下暗噪聲都小於 2 個電子。
是否可以使用卷簾快門對移動物體成像一直是比較有爭議的話題，我們認為應根據具體應用參數評估，如物體相對移動速度、該運動物體在焦平面上的大小和曝光時間等。運動速度越快，在焦平面上的像越大，對全局快門傳感器的需求越明確，如高速工業檢測、汽車碰撞試驗、爆炸分析、航空測繪等。反之，如使用卷簾快門芯片，在擬采用曝光時間內物體在焦平面上的扭曲可忽略或可矯正，則應采用卷簾快門芯片，以獲得更高的靈敏度和更低暗噪聲，提升圖像質量。
3) 量子效率（QE x FF）
量子效率(QE x FF)是衡量光電轉化效率的重要指標，定義為入射光子和被像素收集到的電子的比例，通常用百分比表示。如量子效率 50%，意味着每 2 個照射到感光區域的光子可轉化成 1 個電子。其中，FF(Fill Factor)為開口因子，是每個像元中有效感光面積與像元面積的百分比。像元尺寸越大或像元設計越合理有效，FF 越高，量子效率越高。對於背照式圖像傳感器，光信號不經金屬遮擋，直接入射到感光區域，開口因子為 100%。因此背照式圖像傳感器的量子效率較正照式器件有大幅提升。
CCD 和 CMOS 圖像傳感器的量子效率一般在一定波長范圍內測定，如 400nm – 800nm，峰值量子效率一般在 550nm 左右。在 400nm 以下和 800nm 以上，圖像傳感器的量子效率會急速下降。受硅材料能級的限制，無論 CMOS 還是 CCD 器件，量子效率在 1100nm 以上都下將到零。使用窄帶半導體材料可實現對紅外譜段的探測，但這些材料與標准 CMOS 技術不兼容，因此不屬於 CMOS 圖像傳感器范疇。
背照式圖像傳感器避免了正照器件表面二氧化硅層對紫外譜段的吸收，可實現對紫外譜段的探測。如在背照式工藝可對感光層表面進行加工，如添加紫外譜段抗反射鍍膜，可在紫外譜段實現較高的量子效率。具備紫外探測能力的圖像傳感器在科學和工業應用中有非常廣泛的用途，如光譜應用或高壓設備故障檢測等。
如在圖像傳感器生產中采用加厚襯底材料，可增加紅外譜段的吸收效率，實現在 800nm實現高於 40%的量子效率。
4) 靈敏度（Sensitivity）
靈敏度是衡量圖像傳感器光電性能的最重要指標，高靈敏度意味着可以在光照較暗或曝光時間較短的情況下得到清晰的圖像，所以在微光成像、高速成像等應用中，應選取具有高靈敏度的圖像傳感器芯片。
靈敏度是傳感器輸出信號相對入射光能量的變化，常用的靈敏度單位為 V/lux·s、e-/((W/m2)·s)或 DN/((W/m2)·s)。因各傳感器廠家使用不同的單位，用戶很難對不同廠家芯片的靈敏度進行比較。下面我們從 CMOS 圖像傳感器的光電轉化機理上來分析靈敏度單位的區別：
CMOS 圖像傳感器光電轉換框架圖
如圖所示，像素將收集到的光子轉換成電子后，再轉變成電壓信號 V，經過 PGA 將該電壓信號放大成 V’，最終經 ADC 轉換成數字信號 DN 輸出。
在比較不同傳感器的靈敏度時，最客觀的單位應該是以 e-/((W/m2)·s)，它表征了像素收集光子的能力和進行光子到電子轉換的效率，只與像元尺寸和量子效率相關，與圖像傳感器的其他設置無關，因此可以最客觀、科學的表征傳感器的靈敏度。
在 EMVA1288 標准中采用 V/lux·s，需要注意的是電壓應采用像素輸出電壓作為信號值（即圖中的 V，而不是 V’，通常 V’要遠大於 V）。然而像素的輸出電壓與圖像傳感器的電子電壓轉換增益（Conversion Gain）相關，轉換效率越高，靈敏度越高。因此如采用 V//lux·s表征靈敏度時，須明確是像素輸出電壓，並標明轉化增益。
由於 DN 為傳感器輸出的最終數字信號，在不確定數字信號的放大倍數及模擬數字轉換效率的情況下，一般不無法用 DN/((W/m2)·s)來客觀的表示傳感器靈敏度。
5) 暗噪聲（Dark Noise）
暗噪聲，又稱作時域暗噪聲或讀出噪聲，是指像素在完全黑暗環境中、最短曝光時間內、幀與幀之間、同一像素輸出的不一致性，它表征了圖像傳感器對於微弱信號的極限探測能力。
如 sCMOS 器件的暗噪聲為 1.5 個電子，量子效率為 50%，則該探測器的極限探測能力為 3個光子。當有充足光照或光照條件可控，暗噪聲就不再重要了，因為它會被光信號的散粒噪聲所淹沒。還以上述 sCMOS 器件為例，光信號為 20000 個光子，有效光信號為 10000 個電子，對應 100 個電子的散粒噪聲，遠超過 1.5 個電子的暗噪聲。這時圖像的信噪比將完全取決於光信號和光散粒噪聲。
6) 滿阱容量（Full Well Capacity, FWC）
滿阱是指像素所能收集並容納的電子個數的極限。滿阱容量直接決定了圖像傳感器的最大信噪比。當光信號足夠強，使得像素在較短曝光時間內達到滿阱時，信噪比最高。此時，噪聲被光信號的散粒噪聲（√