3. 低照度成像核心光电参数

低照度车载成像的性能上限，几乎完全由图像传感器的光电参数决定。理解这些参数，关键不是背定义，而是弄清它们在“光子→电子→数字码值”这条链路上各自控制哪一段，以及在暗光下如何互相牵制。本节围绕量子效率（QE）、信噪比（SNR）、暗电流、灵敏度和动态范围展开，并给出可用于选型与调优的判断方法。

一、从光子到码值：五个参数各管一段

一个像素的完整信号链可以概括为：入射光子数 N_ph → 硅层吸收并转换为电子（由量子效率决定）→ 叠加暗电流产生的寄生电子 → 经转换增益 CG 变为电压 → 由读出电路放大并量化成 DN 值。量子效率 QE(λ) 定义为产生的光电子数与入射光子数之比，它决定“有多少光被真正用上”；暗电流 I_dark 是即使无光也会持续产生的电子，属于加性噪声源；转换增益 CG（单位 µV/e⁻）决定一个电子能换多少电压；读出噪声 σ_read（单位 e⁻）决定小信号能否被分辨；满阱容量 FWC 决定单个像素最多能装多少电子。灵敏度、SNR 和动态范围都是这些底层量的组合结果，而不是独立参数。

二、量子效率：决定暗光“起点”

QE 是波长相关量，硅在 400~700 nm 可见光区 QE 较高，进入 850~940 nm 近红外后急剧下降。车载低照度常配合近红外补光，因此必须看传感器在 850 nm 或 940 nm 的 QE 曲线，而不是只看可见光峰值。以某背照式（BSI）传感器为例，假设 550 nm 处 QE≈80%，850 nm 处 QE≈35%，940 nm 处 QE≈20%。若同一场景反射回 940 nm 光子 10000 个，则产生约 2000 个光电子；若换成 850 nm，则约 3500 个。QE 每提升一倍，等效于曝光时间或补光功率减半，这是暗光系统最直接的收益来源。工程上可通过背照式结构、深沟槽隔离、微透镜与抗反射膜提升 QE，但近红外 QE 提升往往伴随暗电流上升，需要权衡。

三、暗电流：低照度最隐蔽的敌人

暗电流来自硅体内缺陷与界面态的热激发，单位常用 e⁻/s/pixel 或 e⁻/s/µm²。它有两个关键特性：一是随温度近似指数增长，经验上每升高 7~8℃ 翻一倍；二是存在固定图案噪声（DSNU），即不同像素暗电流不一致，形成暗光下的“麻点”。假设某像素在 25℃ 时暗电流为 5 e⁻/s，曝光 33 ms，则暗电子约 0.165 e⁻，可忽略；但若模组内部温度升到 65℃，暗电流约放大 2⁵=32 倍，达 160 e⁻/s，同样曝光下暗电子约 5.3 e⁻，已与读出噪声同量级，会明显抬高噪声底并压缩暗部动态范围。因此低照度系统必须做暗电流校正：在相同曝光与增益下采集暗场帧，建立暗电流查找表，并在实时输出中减去；同时通过散热设计、降低传感器温度、缩短单帧曝光或采用相关双采样（CDS）抑制。

四、信噪比与灵敏度：如何判断“看得清”

SNR 定义为信号电子数与总噪声之比。低照度下总噪声主要由散粒噪声 √N_e、暗电流噪声 √(I_dark·t) 和读出噪声 σ_read 构成，即 SNR = N_e / √(N_e + I_dark·t + σ_read²)。当 N_e 很小时，σ_read 主导，SNR 随信号线性上升；当 N_e 较大时，散粒噪声主导，SNR 随 √N_e 上升。灵敏度通常指单位照度下的输出码值变化，即 DN/(lx·s)，它同时受 QE、CG、曝光时间和模拟增益影响。判断暗光性能时，不能只看灵敏度数值，还要看“达到 SNR=10 所需的最低照度”，这个指标更贴近实际可辨识能力。例如某模组在增益 16 dB、曝光 33 ms 下，SNR=10 对应 0.05 lx，则说明其暗光可用下限约在此量级。

五、动态范围：高光与暗部的平衡

动态范围 DR = 20·log₁₀(FWC / 噪声底)，噪声底通常取读出噪声或暗电流噪声的等效电子数。假设 FWC=8000 e⁻，读出噪声 2 e⁻，则单帧 DR≈20·log₁₀(4000)≈72 dB。低照度场景中，暗部细节由噪声底决定，高光（如对向车灯）由 FWC 决定。提高 CG 可降低等效读出噪声、改善暗部，但会降低等效 FWC，压缩高光余量；反之降低 CG 可保高光但暗部变差。因此实际调优常采用双转换增益（DCG）或分时曝光：暗光用高 CG，强光用低 CG，再通过合成扩展 DR。下表给出一个示例性的参数权衡参考（数值为教学假设，非实测）。

综上，QE 决定暗光信号的“源头大小”，暗电流与读出噪声决定“噪声底”，CG 决定“小信号能否被放大读出”，FWC 决定“高光能装多少”，而 SNR、灵敏度和动态范围是这些底层量在系统层面的综合表现。低照度开发的核心工作，就是在这些相互制约的参数之间，针对具体场景找到可验证的平衡点。