本文着眼于在为家居自动化IoT设备选择*合适的CMOS影像感测器时要考虑的一些关键功能。

视野范围

让我们从视野范围(FOV)开始。视野范围是场景的一部分，可通过特定位置和方向的摄影机看到。视野范围由焦距控制。这是从汇聚点到焦平面的距离，随光波长的变化而变化。例如，蓝光的焦距(450 nm)略短于红光(620 nm)。具有可变焦距的镜头称为变焦镜头。具有固定焦距的镜头称为定焦镜头。在固定焦距中，较短焦距的镜头称为广角镜(14 mm至35 mm，114° 至64°)。较长焦距的镜头被称为长焦距镜头(85mm 至>300mm, 30° 至<1° 视野范围)。这些都是用来使远处的物体呈现出放大的效果，当使用较长焦距镜头时，放大倍数增加。

例如，我们考虑在物联网应用领域占很大比例的家庭安防摄影机。它们通常有广角固定焦距的镜头，具有监控的能力，并能回报关心的区域的状况。如Dropcam Pro支援130° 视野范围，而Canary覆盖147°的视野范围。这种手动操作(DIY)的应用类别，在功能上希望能覆盖足够宽广的范围，并且同时可以捕捉到场景的细微关键差异。安防摄影机通常安装于墙面上，所以比较不可能有人会接近到摄影机(这需要更长的焦距和更短的视野范围)。然而，已有**企业专注于发展许多的分析功能来支援这类的DIY产品。捕获****/情绪的能力对成功至关重要，需要能在覆盖面和足够短的焦距之间找到*佳点以标记当下的“时刻”。

景深

景深(DOF)是在选择*适合用于物联网的影像感测器时要考虑的另一个指标。它指影像中可看清的*近和*远物体间的距离。景深由3个因素决定-光圈大小、镜头距离和镜头焦距。

较大的光圈(较小的f值)产生更浅的景深。较近的焦距产生较浅的景深。较浅的景深可用于艺术成像。它聚焦在手边的主体并使背景朦胧，从而突出主体。对于给定的光圈，增加放大倍数，可通过移动相机靠近主体或使用大焦距的镜头，降低景深；降低放大倍数则增大景深。光圈是指有多少光可进入镜头，类似于眼睛的虹膜。考虑具有相同尺寸光学格式的两个镜头。

一个较大的光圈(更小的f#如f/1)将支援比较小的光圈(更大的f#如f/12)更多的光。一个较大的光圈带来更快的快门速度，从而捕获高速运动而影像较不模糊。更多的光也意味着微光下的颗粒感更轻。如果微光性能是应用的关键，那么更小f#的镜头很重要。

如果我们考虑家庭安防应用，具有较小f#的较大光圈的镜头-f/1.8是*常见的选择。在较暗环境下维持**影像品质是大多数家庭自动化设备的关键。

图1 : 透过光圈值的变化，来达到想要的景深品质，在影像感测领域，一直是基本的课题。（Source：wallpaper4me.com）

动态范围

对于一个影像感测器，动态范围(DR)指能同时捕获的*亮和*暗的影像细节之间的范围。影像感测器的动态范围通常在54 dB至70 dB之间。较高的动态范围通过感测器或影像处理器的影像处理导出。市场上的某些感测器支援达105dB的高动态范围(HDR)。

在HDR模式下，安森美半导体的感测器在相同帧内依序捕获两次曝光，通过卷帘式快门读出两个交错、各自独立的读取指令和重置指令。一旦取得画素的两次曝光值，感测器就会自动组合，替每个画素的回应创建一个线性值。或者，感测器可选择输出代表两次不同曝光的两个独立数据流，然后在晶片外处理这些数据。

市场上的DIY设备的初始设置采用具有标准动态范围(54dB至70dB)的感测器。随着设备越来越智慧和使用情况更加多样化，要求支援更高的动态范围。在室内环境中，单一的场景下有大的光照差异的可能性较低。然而，在室外环境使用相同的设备，在同一场景下既有明亮的区域又有黑暗区域的可能性较高。

当今摄影机用于补偿光照的突然变化，如开门、开/关灯。高动态范围的影像感测器能在开门、开灯或关灯时捕捉到影像，同时保持清晰的影像品质。这样的技术有助于追踪人与物体，以及辨识困难照明条件下的脸部特征。

微光性能

微光下的高品质影像是物联网应用的关键卖点。一台微光灵敏度低的智慧婴儿监视器对父母来说可能是个灾难。就此而言，智慧门铃将无法捕获门口入侵者的影像，或家庭安防摄影机在夜间完全没用。为摄影机系统选择能在微光条件下提供高品质影，像的*佳感测器时，有几个参数须纳入考虑。决定感测器在微光条件下的影像捕获能力的主要属性包括调制传递函数(MTF)和讯噪比(SNR)。

调制传递函数是量化感测器提供影像清晰度的能力的常用方法，在可见光光谱中是完全一致的。问题出现在较长的波长(尤其是在使用近红外照明时)。调制传递函数在许多情况下降低2个或3个因数。较低的调制传递函数限制了系统解析度，因而影响了细节的呈现。

讯噪比是影响感测器影像能力的另一关键因素。讯噪比越高，影像品质越好。讯噪比指影像中存在的讯号和杂讯的比例。杂讯表现为影像中的颗粒度。有两种主要方法可提高感测器的讯噪比：降低杂讯和增加讯号，从而优化感测器在量子效率(QE)方面的回应。QE表示光子转化成电子的百分比。

若在微光的条件下想要捕获不同光照水准间的细微差别，晶片上低于1 mV 的杂讯即会被视为影像中的杂讯。由此可见，杂讯极多的环境很容易影响在微光或至遮蔽条件下所产生的低水准讯号。物联网领域中某些高性能的CMOS影像感测器中的峰值讯噪比维持在39 dB 和41 dB之间。

一些家庭自动化产品正开始采用红绿蓝可见光及近红外线影像感测器(RGB-NIR image sensor)。RGB-NIR是在影像感测器画素阵列上的一个彩色滤光片模式，分别收集红、绿、蓝和近红外光子。这些感测器在白天红外线较弱时，影像品质呈现良好的色彩复制，在夜间使用有源近红外LED时，仅会拍下黑白影像。这些感测器无需机械式的红外线阻断滤镜。不仅整体成本价格降低，也减少了因机械操作而造成的临场故障问题。

图2 : 在微光环境，如何提供清晰的影像画质是相当重要的关键，在物联网领域中，可被用在安防侦测上。（Source：www.techradar.com）

解析度

这是用户在选择摄影机产品时*看重的功能。*初引入市场的物联网设备支援达720p的解析度。这似乎仍然是低阶设备的普遍规格。但对于更高阶的设备，用户愿意为**的影像品质支付更多，1080p是发展方向。当串流媒体通过数据有限的无线协议时，视频通常被压缩。压缩度越高，处理越复杂，从而导致更高功耗。高功耗显然不适用于电池供电的物联网设备。尽管1800万画素的摄影机可能听起来很有吸引力，但折衷于高画素与低功耗之间，物联网的摄影机通常限缩在200万至500万画素的范围内。

结语

物联网持续发展。从连接的家庭到连接的汽车，物联网正在改变我们与物质互动的生活方式。摄影机是这场变革的核心，产生新的设备和应用类别。这些“事物”结合摄影机正革新我们使用日常设备的方式。门铃摄影机报告门铃响起，同时一并发送门口访客的照片。冰箱中的成像仪即时更新缺少的物品。烤箱中的成像仪准确估计菜何时会煮熟。应用多种多样。CMOS影像感测器技术的进步，好的微光性能、低功耗、**影像品质，促成了相关应用设备的成长。路还很长，乐趣才刚开始！

（本文作者现任于安森美半导体物联网产品线经理）