3. 低照度成像物理基础
低照度成像的难点，不在于“光少”本身，而在于光少之后，信号与各类噪声之间的比例关系急剧恶化。要理解onsemi图像传感器在暗光下的表现，必须先把五个物理量放在同一条信号链上看：光子散粒噪声、读出噪声、暗电流、量子效率与信噪比。它们不是并列的五个名词，而是共同决定“一个像素最终能输出多干净的数字值”的因果链。
一、光子散粒噪声：低照度的物理下限
光以离散光子形式到达像素。即使光源完全稳定，单位时间内到达某像素的光子数也服从泊松分布。若某像素在曝光时间内平均收集到 N 个光电子，则其固有涨落约为 √N，这就是光子散粒噪声。它带来的直接结论是：散粒噪声决定的信噪比上限为 N/√N = √N。也就是说，想获得 20 dB 的散粒噪声受限信噪比，至少需要约 100 个光电子；想获得 40 dB，则需要约 10000 个光电子。
在onsemi的CMOS传感器中，散粒噪声通常用光电子数或等效输入电荷表示。例如某像素满阱容量为 8000 e⁻，在低照度下只收集到 25 e⁻，则散粒噪声为 5 e⁻，仅散粒噪声一项就把信噪比限制在约 14 dB。此时即使读出电路完全理想，图像仍然会呈现明显的颗粒感。因此低照度优化的第一原则是：尽可能提高光子收集效率，让 N 变大，而不是先急着降读出噪声。
二、量子效率：把光子变成电子的比例
量子效率（QE）定义为入射光子转化为可收集光生电子的概率。它决定了同样光照下能拿到多少 N。onsemi的背照式（BSI）传感器通过将光电二极管受光面靠近入射光一侧，减少金属布线和晶体管遮挡，使QE在可见光到近红外波段明显提升。以典型产品为例，BSI结构在550 nm附近QE可达到70%～80%，而前照式（FSI）结构在同一波长可能只有50%～60%。
QE不是单一数字，而是随波长变化的曲线。低照度场景若使用850 nm或940 nm近红外光源，必须关注传感器在该波长的QE，而不是只看峰值QE。例如某onsemi BSI传感器在940 nm的QE约为30%，意味着1000个入射光子只能产生约300个光电子；若换成550 nm绿光，同样1000个光子可产生约750个光电子。两者散粒噪声受限信噪比相差约4 dB。因此，光源波长与传感器QE曲线的匹配，是低照度系统设计中最容易被忽视却影响巨大的环节。
三、读出噪声：暗光下的电子底噪
读出噪声是像素信号被读出、放大并数字化过程中引入的噪声，通常以输入参考电子数（e⁻ RMS）表示。它不随光信号增大而增大，因此在强光下可忽略，但在极暗光下会成为主要限制。onsemi传感器通过相关双采样（CDS）、列级低噪声放大器和片上降噪技术，把读出噪声压到较低水平。普通滚动快门传感器读出噪声可能在2～5 e⁻，而低噪声型号可做到1 e⁻以下。
读出噪声与散粒噪声的关系可以用总噪声公式表示：总噪声 = √(散粒噪声² + 读出噪声² + 暗电流噪声²)。当N=25 e⁻、读出噪声为3 e⁻时，总噪声为√(25+9)=√34≈5.8 e⁻，信噪比约为12.7 dB；若读出噪声降到1 e⁻，总噪声为√26≈5.1 e⁻，信噪比约13.9 dB。可见在光子数很少时，降低读出噪声仍有约1.2 dB的收益，但收益远小于把QE从50%提升到80%带来的效果。
四、暗电流：时间与温度的敌人
暗电流是即使没有入射光，硅晶格热激发也会产生的电子。它随温度升高呈指数增长，通常温度每升高约6～8 ℃，暗电流翻倍。暗电流本身是直流偏置，但它的涨落形成暗电流散粒噪声，且长时间曝光会积累暗电流，压缩可用动态范围。onsemi传感器在暗电流控制上采用深耗尽光电二极管、表面钝化和低缺陷工艺，使常温下暗电流可低至几个e⁻/s每像素量级。
在低照度长曝光场景中，暗电流的影响不可忽略。例如曝光1 s、暗电流为5 e⁻/s，则暗电流信号为5 e⁻，其散粒噪声为√5≈2.2 e⁻。若曝光延长到10 s，暗电流信号达50 e⁻，散粒噪声约7.1 e⁻，已经超过许多传感器的读出噪声。因此，低照度应用若不能缩短曝光，就必须考虑制冷或暗电流补偿。onsemi部分工业传感器支持暗电流校正和温度补偿寄存器，可在一定温度范围内减小暗电流漂移。
五、信噪比：五个量的综合结果
信噪比（SNR）是最终判据。在低照度下，SNR由光子数、QE、读出噪声和暗电流共同决定。用光电子数表示：SNR = N / √(N + σ_read² + N_dark)，其中N为光生电子数，σ_read为读出噪声，N_dark为暗电流电子数。这个公式说明：当N很小时，分母中读出噪声和暗电流项占比大，SNR随N增长缓慢；当N远大于读出噪声平方和暗电流时，SNR趋近√N，进入散粒噪声受限区。
onsemi传感器在低照度下的典型表现可以这样理解：BSI工艺提高QE，使同样光照下N更大；低噪声读出电路压低σ_read，使暗光下分母更小；低暗电流工艺减小N_dark，使长曝光不迅速恶化。三者共同作用，把低照度SNR曲线整体向左推移，即在更少光子数下达到可用信噪比。
六、把五个量放在一起看：一个低照度示例
假设某onsemi BSI传感器像素在550 nm、曝光10 ms下收集到40个光电子，读出噪声为2 e⁻，暗电流为1 e⁻/s，则暗电流电子数约0.01 e⁻，可忽略。总噪声为√(40+4)≈6.6 e⁻，SNR≈15.5 dB。若把QE从60%提升到80%，同样光照下N变为约53 e⁻，总噪声√(53+4)≈7.5 e⁻，SNR≈17.0 dB，提升约1.5 dB。若再把读出噪声从2 e⁻降到1 e⁻，总噪声√(53+1)≈7.3 e⁻，SNR≈17.2 dB，仅再提升约0.2 dB。这个示例说明：在光子数不足时，QE提升的收益远大于读出噪声优化；但当N已经较大时，读出噪声的边际收益迅速下降。
七、onsemi传感器中的实际观察点
在评估onsemi传感器低照度表现时，建议直接查看数据手册中的几个关键曲线：QE vs 波长曲线、读出噪声 vs 增益曲线、暗电流 vs 温度曲线，以及SNR vs 曝光曲线。不要只看单一“低照度性能”指标。例如，某传感器在最高增益下读出噪声标称0.8 e⁻，但此时满阱容量可能降到几千电子，动态范围反而变窄；另一传感器读出噪声为2.5 e⁻，但QE更高、暗电流更低，在长曝光低照度下可能表现更好。
实际调试时，可以固定曝光时间和温度，逐步增加光源亮度，记录不同光强下的输出均值和标准差，拟合出SNR曲线。曲线左侧平坦区由读出噪声主导，中间过渡区由读出噪声和散粒噪声共同决定，右侧线性上升区由散粒噪声主导。通过观察拐点位置，可以判断当前系统是读出噪声受限还是散粒噪声受限，从而决定下一步优化方向。
总结来说，低照度成像不是单一噪声的战争，而是光子数、QE、读出噪声和暗电流四者在信噪比公式中的博弈。onsemi传感器通过BSI工艺、低噪声读出链和低暗电流工艺，把这场博弈的起点尽量向左推，使工程师在暗光下仍有可用的信噪比余量。理解这五个量的物理含义和相互制约关系，才能在选型、曝光设计、增益配置和图像评估中做出正确判断。