索尼IMX系列圖像傳感器技術(shù)分析

初代——高成像質(zhì)量

當(dāng)Sony于2015年初宣布停產(chǎn)CCD芯片之后，這預(yù)示著CCD技術(shù)將在工業(yè)圖像處理以及許多其他領(lǐng)域謝幕。隨后，Sony推出了目前第四代全新CMOS芯片系列中的初代產(chǎn)品——IMX系列，該系列顯著提升了動(dòng)態(tài)范圍，當(dāng)時(shí)引起了市場轟動(dòng)。 IMX系列初代芯片優(yōu)勢： a.可縮短曝光時(shí)間； b.可選擇在圖像處理過程中所需的觸發(fā)和讀出選項(xiàng)，并支持以出色的質(zhì)量來采集圖像； c.成像質(zhì)量超過同價(jià)位的其他競品芯片。 IMX芯片之所以具備高成像質(zhì)量，原因之一是Sony采用了一項(xiàng)名為Exmor的特殊技術(shù)。借助該技術(shù)，在讀出像素時(shí)，芯片記錄的降噪模擬信號(hào)可直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這種方法使得IMX芯片有別于與其他制造商的芯片，不僅可以提高降噪性能，還可以實(shí)現(xiàn)更高的幀速率。

該芯片的另一個(gè)重要特性在于它所采用的快門。在采用滾動(dòng)快門的芯片中，芯片的各個(gè)像素行將逐一進(jìn)行曝光并讀出。在拍攝移動(dòng)物體的應(yīng)用中，這個(gè)過程會(huì)導(dǎo)致芯片各行出現(xiàn)延遲曝光，并且根據(jù)不同的檢測情況，還可能導(dǎo)致采集的圖像中出現(xiàn)失真。而采用全局快門技術(shù)的芯片則擁有不同的工作方式：芯片會(huì)同時(shí)讀出所有曝光的像素。這種方式確保它也可以采集被拍攝物體在移動(dòng)時(shí)的圖像，或者在交通應(yīng)用中確保移動(dòng)車輛的圖像不會(huì)失真。

此外，Sony開發(fā)人員已經(jīng)將多種功能集成到了這個(gè)為工業(yè)圖像處理行業(yè)帶來了巨大優(yōu)勢的第一代IMX型號(hào)中，其中包括可定義較小的感興趣區(qū)域（ROI）。限制芯片的讀出面積可有助提高圖像采集速度，并減小在數(shù)據(jù)傳輸過程中圖像數(shù)據(jù)的大小。當(dāng)只需要查看特定區(qū)域以進(jìn)行物體檢測時(shí)，此功能始終可以發(fā)揮理想的作用。 IMX174和IMX249是第一代IMX芯片的型號(hào)，也稱為Pregius系列。這兩款全局快門芯片使用邊長為5.68μm的方形像素，分辨率為1920x1200像素，幀速率各不相同。IMX249支持41fps的幀速率，高速版型號(hào)IMX174甚至可達(dá)到驚人的166fps。 對于那些只需230萬像素的分辨率就足以解決手頭任務(wù)需求的應(yīng)用，配備IMX174和IMX249芯片的相機(jī)如今依然不失為理想的選擇，因?yàn)樗邆錆M井容量高、性價(jià)比高并且動(dòng)態(tài)范圍出色的特點(diǎn)。

第二代——高分辨率

在第二代IMX芯片中，Sony將像素尺寸減小到3.45μmx3.45μm，并在2016年底推出了分辨率為300萬像素（IMX252和IMX265）、500萬像素（IMX250和IMX264）、900萬像素（IMX255和IMX267）以及1200萬像素（IMX253和IMX304）的型號(hào)。這些芯片還能讓用戶享受到全局快門的優(yōu)勢，并借助Exmor技術(shù)實(shí)現(xiàn)出色的成像質(zhì)量。在速度方面，標(biāo)準(zhǔn)的第二代型號(hào)（IMX265、IMX264、IMX267和IMX304）的幀速率范圍為23-56fps，而高速版型號(hào)每秒可采集68-216fps。

第二代IMX芯片可支持的分辨率范圍顯著增加，且兩代IMX芯片在滿井容量方面有明顯的差異，第二代IMX芯片的滿井容量顯著低于第一代IMX芯片，但仍然與其他制造商生產(chǎn)的CMOS芯片的范圍值相當(dāng)。不過，Sony在類似的像圈尺寸上成功將可實(shí)現(xiàn)的分辨率提高到原來的三倍，從而彌補(bǔ)了它在飽和容量方面的數(shù)值差異。

第三代——背照式技術(shù)

STARVIS系列與Pregius芯片第一代/第二代芯片之間最重要的區(qū)別特征就是STARVIS芯片所具備的滾動(dòng)快門和背照式技術(shù)。這種芯片設(shè)計(jì)也被稱為BSI，它是Sony開發(fā)的一項(xiàng)復(fù)雜精妙的技術(shù)，可高效地解決應(yīng)用難題。由于像素尺寸非常小，芯片上用于接收光線的可用像素區(qū)域與所需電子元件（如放大器或A/D轉(zhuǎn)換器）所占的面積比例并不協(xié)調(diào)。如果非光敏部分的面積增加，則會(huì)降低芯片的量子效率。 借助STARVIS系列，Sony提供了一種已經(jīng)問世多年的強(qiáng)大芯片技術(shù)。這種技術(shù)最初僅限于幾個(gè)彩色芯片型號(hào)，并且主要用于監(jiān)控領(lǐng)域。

自黑白STARVIS型號(hào)推出以來，這些芯片在工廠自動(dòng)化應(yīng)用中變得越來越受歡迎。這個(gè)Sony芯片系列原本是與Pregius系列并行開發(fā)的，最初只提供滾動(dòng)快門，但后來也采用了全局快門技術(shù)。STARVIS芯片也標(biāo)有IMX的縮寫字樣，并采用邊長在1.85μm-3.76μm之間的方形像素。 Sony通過將放大器和電子元件從芯片的正面挪到了背面，從而避免了傳統(tǒng)前照式結(jié)構(gòu)芯片（FSI）中存在的這種問題。如此一來，就可以只把芯片的感光部分置于前方。這個(gè)設(shè)計(jì)技巧可以讓幾乎整個(gè)像素區(qū)域都用于光電響應(yīng)，并減少來自電子元件自身的反射光。此外，BSI芯片的光敏平面高于傳統(tǒng)的FSI設(shè)計(jì)，這也有助于提高成像表現(xiàn)。

在前照式芯片（左圖）中，線路位于光敏像素區(qū)域上方。光線到達(dá)光電二極管之前必須通過某種類似“隧道”的結(jié)構(gòu)，并且部分光線會(huì)受到電子元件的反射。在BSI技術(shù)（右圖）中，則可實(shí)現(xiàn)在光電二極管下方布線。 通過下圖的比較靈敏度和絕對閾值可看出效果差異，EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)對此閾值進(jìn)行了定義，并指出了芯片平均需要多少光線（即光子）才能產(chǎn)生有別于噪聲的充足信號(hào)。

第四代——工業(yè)應(yīng)用升級(jí)

2020年，Sony推出了Pregius S芯片系列，其像素尺寸為2.74μmx2.74μm，分辨率為510萬-2450萬像素。標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)IMX540、IMX541、IMX542、IMX545、IMX546和IMX547的幀速率為35-122fps，而高速版型號(hào)IMX530、IMX531、IMX532、IMX535、IMX536和IMX537甚至可實(shí)現(xiàn)106-259fps，從而可以對高速移動(dòng)的物體進(jìn)行檢測。 Pregius S芯片把為STARVIS系列開發(fā)的BSI技術(shù)優(yōu)勢，與前兩代Pregius系列的全局快門技術(shù)相結(jié)合，并繼續(xù)提供Exmor降噪技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

選型

哪種CMOS芯片最能滿足應(yīng)用需求是由手頭的任務(wù)性質(zhì)來決定的。 如果應(yīng)用場景為檢測高速移動(dòng)的物體（如瓶子或印刷電路板），或體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域中的動(dòng)作分析，就必須盡可能快速精確地觸發(fā)相機(jī)。在這方面，Pregius芯片比STARVIS系列芯片表現(xiàn)更佳。對于Pregius芯片，從觸發(fā)到讀出圖像需時(shí)僅20μs左右，而STARVIS芯片則可能需要450μs或以上。因此，在精確觸發(fā)對成像質(zhì)量至關(guān)重要的應(yīng)用中，配備Pregius芯片的相機(jī)是更理想的選擇。 若需要一款性能符合要求的CMOS相機(jī)來替代舊型號(hào)，并且要求它具有與CCD技術(shù)相類似的特性。從經(jīng)濟(jì)方面來看，選擇一款無需對現(xiàn)有光源和光學(xué)配件進(jìn)行過多調(diào)整的CMOS芯片相機(jī)是合理的。

與STARVIS系列相比，Pregius系列芯片的規(guī)格與早期CCD相機(jī)的規(guī)格相似度更高，因此Pregius芯片更適合特別注重成像質(zhì)量的應(yīng)用。例如，Pregius系列中500萬像素的IMX264和IMX250型號(hào)版本可作為應(yīng)用廣泛的ICX625CCD芯片的完美替代品。配備ICX824 CCD芯片的相機(jī)可輕松替換為搭載Pregius系列IMX267和IMX255芯片（分辨率為890萬像素）的相機(jī)型號(hào)，無需對系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)置進(jìn)行重大調(diào)整。 如果應(yīng)用場景為靜止拍攝，那么配備滾動(dòng)快門技術(shù)的STARVIS芯片就能滿足需求。

由于STARVIS芯片的像素尺寸非常小，因此還支持使用較小的芯片獲得更高的分辨率，但必須在選擇光學(xué)配件時(shí)首先考慮到這一點(diǎn)。 隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，新型號(hào)的功能越來越多樣化。例如，在第二代Pregius系列中，Sony引入了多曝光觸發(fā)器，其中單個(gè)觸發(fā)脈沖信號(hào)可觸發(fā)芯片快速采集多個(gè)圖像，使相機(jī)能夠以不同的圖像亮度來拍攝物體。通過這種方式，就可以選出最佳圖像以供后續(xù)的圖像評(píng)估。此功能也可提供給第三代和第四代芯片的用戶使用。此外，第三代還有兩項(xiàng)創(chuàng)新功能，即在高速芯片中引入的自觸發(fā)功能和雙觸發(fā)功能。借助自觸發(fā)功能，用戶可以定義兩個(gè)不同的圖像區(qū)域。當(dāng)在一個(gè)圖像區(qū)域中檢測到變化時(shí)，就會(huì)為另一個(gè)圖像區(qū)域拍攝圖像。此外，雙觸發(fā)功能支持為曝光時(shí)間和增益定義兩個(gè)不同值，并且可以相互獨(dú)立控制。難能可貴的是，所有第四代芯片均包含自觸發(fā)和雙觸發(fā)功能。這些示例表明，前幾代芯片的功能通常可以延續(xù)到下一個(gè)開發(fā)階段，繼續(xù)為用戶提供更豐富的選擇。

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芯片開發(fā)的另一個(gè)重要趨勢是采用尺寸更小、分辨率更高的設(shè)計(jì)。這是通過縮小像素尺寸來實(shí)現(xiàn)的。由于生產(chǎn)過程取得的技術(shù)進(jìn)步，像素尺寸正在逐漸變小。芯片的這種小型化趨勢也可能會(huì)讓相機(jī)的尺寸進(jìn)一步縮小。 此外，在特定情況下，由于相機(jī)分辨率較高，從而減少了所用的相機(jī)數(shù)量。因此，某些相機(jī)系統(tǒng)可以進(jìn)行有效的成本優(yōu)化。Pregius系列芯片通常需要搭配價(jià)格高昂的1英寸鏡頭，但也可以轉(zhuǎn)而選擇芯片尺寸較小的PregiusS系列芯片，它們可以搭配價(jià)格更經(jīng)濟(jì)、但功能同樣強(qiáng)大的鏡頭。這讓配備PregiusS芯片的相機(jī)深受市場歡迎。

編輯：黃飛

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