索尼第四代图像传感器解读
2020-05-08
17:00:53
来源: Sophie
来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自「
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2013年，索尼发布了首款Pregius CMOS传感器）——2.3 MP 的IMX174。在发布之前，CCD传感器以更高的分辨率，出众的图像质量和全局快门读数成为市场领导者。CMOS传感器虽然价格较低且帧速率较高，但成像性能较差，且只能提供卷帘式快门读数（rolling shutter readout）。IMX174的发布改变了所有这一切。
IMX174 CMOS传感器不仅具有更高的量子效率，更高的动态范围和更低的读取噪声，而且还提供了更好的图像质量，与当时的同类CCD相比，它还提供了全局快门读出和更高的帧频输出。随着不断增加的全球快门式Pregius传感器（现已跨越4代）的加入，用户可以选择多种传感器。
现在共有4代Sony Pregius CMOS传感器，而第4代的商标为“ Pregius S”。尽管每一代都提供了对上一代产品的改进，但老一代产品的某些功能仍可以胜过后代产品。根据所需的分辨率类型，帧速率，图像质量性能或传感器功能，将决定最适合的一代。
对于第四代“ Pregius S”图像传感器，Sony首次将其背照（BSI）像素结构与全局快门读数结合在一起。即使Pregius S传感器在4代中具有最小的像素大小（2.74μm），但它们主要由于BSI像素结构而保持了相似的图像质量性能。
即使像素尺寸较小，第 4 代Pregius S传感器也可以保持相当的灵敏度，这在一定程度上要归功于其降低的入射角性能。例如，在+/- 20°，第二代代传感器仅接收10％来于该像素的光，但第四代传感器接收40％。这是因为对于第 4 代传感器，微透镜和光电二极管表面之间的距离要近得多。
第一代仅包含1种分辨率-1936 x 1216（2.3MP）。但是，此分辨率有两种帧速率变化可用：高速和标准速度。高速IMX174的最大帧速率为166 FPS，而标准速度IMX249的最大帧速率为41 FPS。为了降低价格，标准速度变化将限制最大帧速率，并限制ADC，合并和ROI选项，同时保持与高速变化相同的图像质量性能。随着下一代和型号的发布，索尼将继续提供高速和标准速度变化的趋势。
下面的列表和图表说明了有关百万像素和帧频传感器模型的Pregius总体情况。每一代都有各种模型，每种模型具有不同的分辨率和帧速率。尽管来自不同世代的一些模型相互重叠，但深入研究每一代的像素技术将有助于区分某些模型为何重叠。
世代之间的大部分差异都归因于像素大小和像素技术。对于每一代，像素大小是不同的。第一代为5.86 µm；第二代为3.45 µm；第三代为4.5 µm；第4代为2.74µm。像素大小不仅会决定特定传感器大小可以容纳多少像素，而且还会导致不同的图像质量性能特征。每一代都有独特的饱和能力，时间读取噪声，动态范围和量子效率。
通常，像素尺寸越大，饱和容量和时间暗噪声越高。例如，第一代传感器的平均饱和容量最高，为33000e-，但瞬时暗噪声最高，为7e-。与第4代传感器相比，第4代传感器具有最小的像素尺寸，因此平均饱和容量最低，为9500e-，最低时间暗噪声为2.1e-。饱和电容与暗噪声之间的这种比例关系使Pregius传感器在各代产品中都可以保持类似的动态范围，即70db，即使它们的像素大小不同。
比较这四代的平均量子效率（QE），可以看出它们之间存在一些主要差异。第一代Pregius传感器在480至540nm范围内显示出高峰值QE。第2代的峰值QE较低，但效率提高从600nm开始转移。第三代使峰值QE接近第一代结果，大大提高了整个范围内的效率，并获得了最佳的近红外（700nm至900nm）性能。第4代传感器与第1代传感器具有相似的峰值QE性能，而其余曲线在第1到第3代之间提供中等地面性能。QE图突出显示了每一代的独特效率曲线，并说明了后代不一定具有完全的性能提升。
注意：QE比较表中显示的结果基于带有传感器保护玻璃的工业相机型号的EMVA 1288测试。
较小的像素尺寸的一个关键好处是能够在给定的传感器尺寸下提供更多的像素。这样可使工业相机保持紧凑，并利用更紧凑的光学元件，例如C型，NF或S型镜头。例如，在类型为1.1英寸的传感器中提供的最大百万像素随着像素大小的减小而增加：第三代（4.5µm）传感器为7.1 MP，第二代（3.45µm）传感器为12.3 MP，第四代（2.74µm）为20 MP。对于某些应用，当更换为具有相同传感器尺寸的更高百万像素相机时，可能会保留光学器件或镜头。在其他情况下，更换为具有不同尺寸的其他传感器可能意味着对光学硬件进行彻底检修。
下图绘制了各种Pregius模型的百万像素与其传感器尺寸的关系。总体而言，与前几代产品相比，第四代传感器在许多尺寸的传感器上增加了百万像素。
在Pregius的各个代之间，传感器的宽高比差异很大，每一代提供多种不同的比例。所有世代之间最常见的宽高比是4：3。该比率提供标准的视图，其宽度始终比高度宽33％。第4代传感器提供第二高的宽高比（1：1、5：4、4：3、16：9），而第二代传感器提供最多的纵横比（1：1、5：4、4：3、16） 10，16：9，17：9）。总体而言，Pregius传感器提供了7种不同的比率，从正方形到宽屏，可实现广泛的应用程序使用。
从第一代开始，索尼就不断推出许多有趣的传感器上功能，其中许多功能可用于不同的应用。具有内置ADC的双ADC等功能，可实现传感器上的HDR功能；连续的快门，间隔非常短，仅为2µsec；和曝光时间监控是第四代传感器的新功能。
无论使用哪种功能，Sony的目标都是为用户提供新颖独特的成像模式，或者提高现有功能的效率和功能。新的传感器功能允许用户以全新的方式成像。例如，自触发（第三代）允许用户通过检测指定ROI的变化来触发相机。这种新颖的传感器上功能通常需要其他设备来触发相机或专用的第三方软件。具有传感器上结合的双ADC（第4代）是改进功能的一个示例。双ADC最初是在第三代传感器上引入的，但是HDR图像的处理是在相机的ISP或在主机PC上完成的。现在，该处理在传感器上进行，从而释放了系统资源并简化了HDR图像的创建。
相机制造商可以使用以下列出的所有可选功能，这意味着某些传感器功能可能会或可能不会为用户使用。LUCID将通过无忧的相机内固件更新逐步实现并支持这些有价值的传感器功能。
相机制造商通过为实现最大成像质量奠定基础，发挥了重要作用。在设计和制造阶段做出的决定会极大地影响相机的功能和传感器性能。以下是可帮助最终用户实现传感器最大潜力的一些方面。
第4代Pregius传感器通过增加传感器尺寸和减小像素尺寸来提高分辨率。这使传感器对相机内的传感器对准公差更加敏感。相对于相机镜筒的传感器后焦距（BFD），旋转和倾斜度差异可能会对图像质量产生负面影响。倾斜度增大的大传感器会降低传感器角落的图像清晰度。
左：光图案覆盖在传感器上。倾斜度，旋转度和深度的任何差异都会使灯光图案变形。通过使用6DoF系统（右）移动传感器，可以测量并补偿这些失真。据此，将传感器实时调整到正确的位置。
Pregius传感器系列提供了多种传感器，可满足多种成像要求。共有38款传感器为工业应用而设计，涵盖了4代Pregius代。有2种帧速率变化（高速和标准速度），4个像素大小，12个传感器大小，7个宽高比以及从0.4MP到31.4MP的分辨率。对于寻求增强灵敏度的用户，第一代和第三代传感器因其较大的像素尺寸而提供了最高的饱和容量结果。第二代传感器提供了最广泛的分辨率和纵横比。第四代传感器以紧凑的传感器尺寸提供了一些最高分辨率，同时由于其背面照明的2.74µm像素而保持了整体灵敏度。无论选择哪种传感器，
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