1.概述
1980年,索尼推出了第一臺CCD彩色相機(jī)。直到2013年,索尼刷新了傳感器領(lǐng)域市場的布局,推出了全球首款快門CMOS傳感器Pregius IMX174, 1/1.2″2.3 MP。索尼首款Pregius傳感器將全球快門CCD圖像質(zhì)量與CMOS高速幀率結(jié)合在一起,創(chuàng)造了成像性能的新標(biāo)準(zhǔn)。
隨著首款Pregius IMX174傳感器的成功,索尼從傳統(tǒng)的CCD轉(zhuǎn)向更先進(jìn)的CMOS傳感器。第二代Pregius傳感器包括3.2 MP IMX265和5.0 MP IMX264。第一代Pregius傳感器尺寸為1/1.2 ",像素尺寸為5.86 μm。相比之下,第二代傳感器尺寸更小,為3.45 μm。尺寸越小允許兼容的鏡頭更具有成本效益。隨著索尼在STARVIS系列中改進(jìn)其滾動快門CMOS技術(shù),使得Pregius仍然是全球快門CMOS性能方面的前列。
隨著每年新技術(shù)的推出,索尼專注于消費(fèi)者,以降本和高性能為目標(biāo),不斷通過提高圖像質(zhì)量,幀率和增加功能進(jìn)行創(chuàng)新。在索尼的Pregius系列中,Lucid產(chǎn)品在保持訪問的功能下推動了數(shù)字成像的極限。要了解使用索尼Pregius全局快門CMOS傳感器的機(jī)器視覺相機(jī)的好處,必須先了解索尼數(shù)字成像技術(shù)的基本組成部分。
2.在Pregius系列之前:滾動快門CMOS傳感器是如何工作的
在索尼發(fā)布Pregius系列的全球快門CMOS傳感器之前,他們的CMOS傳感器使用滾動快門技術(shù)進(jìn)行傳感器讀取。與CCD相比,CMOS滾動快門技術(shù)具有成本效益高,高質(zhì)量成像和高幀速的特點(diǎn)。不過當(dāng)目標(biāo)或相機(jī)處于運(yùn)動狀態(tài),則捕獲的圖像會有圖像抖動、傾斜或條帶等失真問題。這種失真是由于滾動快門傳感器一次一行地曝光讀出像素導(dǎo)致的。一個(gè)傳統(tǒng)的索尼CMOS卷簾門工作流程如下圖所示。
圖1:傳統(tǒng)的索尼CMOS滾動快門像素管道
上圖顯示了索尼CMOS滾動快門圖像傳感器傳統(tǒng)像素的工作流程。光電轉(zhuǎn)換(用量子效率測量)發(fā)生在光電二極管中,電子在浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為電壓(電壓是電荷(q)除以電容(C)),之后電信號被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。在這一階段,信號經(jīng)過2級相關(guān)雙采樣(CDS)來減少模擬和數(shù)字噪聲,這個(gè)過程被稱為“雙cd”,是索尼為了減少隨機(jī)和固定模式噪聲的解決方案。
圖2:帶列并行A/D轉(zhuǎn)換的滾動快門讀數(shù)
上圖是一個(gè)簡化的動畫,展示了傳統(tǒng)索尼滾動快門CMOS傳感器讀取圖像數(shù)據(jù)的過程。每個(gè)像素列使用一個(gè)獨(dú)立的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)高速讀出。每個(gè)像素行都暴露在光下,電荷一次一行地發(fā)送進(jìn)行模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換,正是這種逐行曝光的情況導(dǎo)致CMOS在高速運(yùn)動時(shí)會產(chǎn)生圖像失真的情況。
3.CMOS傳感器的發(fā)展:索尼Pregius系列的快門CMOS
為了將全局快門技術(shù)應(yīng)用到索尼的CMOS傳感器中,索尼在光電二極管和浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)之間創(chuàng)建了一個(gè)新的像素模擬存儲節(jié)點(diǎn)。在Pregius CMOS傳感器中,所有光電二極管同時(shí)開始曝光,當(dāng)光電二極管完全曝光時(shí),電子流入模擬存儲器并釋放光電二極管進(jìn)行下一次的曝光。電荷轉(zhuǎn)移到模擬存儲器后,轉(zhuǎn)換過程與卷簾門傳感器相同。最終結(jié)果是一個(gè)全局快門CMOS傳感器捕捉非失真圖像,同時(shí)利用雙CDS技術(shù)來減少隨機(jī)和固定模式噪聲。
圖3:索尼Pregius CMOS全局快門像素管道
電子電荷迅速地從光電二極管轉(zhuǎn)移到模擬存儲器?;谠贑CD傳感器設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn),索尼能夠開發(fā)出具有非常低暗電流的模擬存儲器。該存儲器被屏蔽并放置在像素結(jié)構(gòu)中的低暗電流區(qū)域內(nèi),來減少暗電流射擊噪聲。
圖4:索尼Pregius快門讀數(shù)
因?yàn)槟M存儲器,光電二極管可以同時(shí)開始曝光和讀出。因?yàn)槌掷m(xù)使用其模擬和數(shù)字CDS降噪技術(shù),索尼Pregius CMOS傳感器不僅擁有全局快門成像功能,而且提供了高質(zhì)量的低噪聲技術(shù)。
4.低噪聲:索尼雙相關(guān)雙采樣(雙cd)
為了降低噪聲,索尼CMOS傳感器在A/D轉(zhuǎn)換之前和之后對模擬和數(shù)字信號應(yīng)用CDS。
圖5:增益為30db的固定模式噪聲(FPN)
在模擬信號中,索尼CMOS傳感器在每個(gè)浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)中使用“重置開關(guān)”來排出前一次曝光的累積電荷,為下一次到來的曝光電荷騰出空間。然而,因?yàn)橐恍╇娮記]有耗盡留在漂浮擴(kuò)散中導(dǎo)致與下一個(gè)暴露電荷相結(jié)合,給信號增加噪聲。這種噪點(diǎn)會在圖像上產(chǎn)生不需要的紋理效果,稱為“固定模式”噪點(diǎn)。固定模式噪聲在弱光成像中最為明顯,但可以使用CDS成功地降低這種情況。CDS通過測量前一次暴露的剩余電荷并從后續(xù)電荷(包括剩余噪聲和暴露電荷)中減去剩余電荷的方法來減少噪聲。
上圖:在列并行A/D轉(zhuǎn)換之前的索尼模擬cd
測量先前電荷留下的噪聲,然后從與剩余電荷混合的下一個(gè)暴露電荷中減去。
圖6:經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的索尼數(shù)字cd
與模擬CDS類似,數(shù)字信號被讀取兩次,一次在復(fù)位電平,另一次在信號電平。數(shù)字減法過程消除了每個(gè)像素列之間的變化,從而使圖像具有最小的噪聲。
5.下一級成像結(jié)果
索尼Pregius系列傳感器利用索尼最新的像素制造技術(shù),提供高靈敏度的CMOS傳感器。它們在低光靈敏度以及高動態(tài)范圍允許用戶在動態(tài)挑戰(zhàn)照明環(huán)境中的成像。自動駕駛汽車、信息交通系統(tǒng)(ITS)或其他戶外環(huán)境等應(yīng)用都可以從Pregius的成像質(zhì)量中受益。當(dāng)光線變化或相機(jī)進(jìn)入具有陰影或者高光的復(fù)雜場景時(shí),Pregius傳感器將捕獲比傳統(tǒng)CMOS傳感器更加有用的成像數(shù)據(jù),使視覺系統(tǒng)做出更好的決策。在經(jīng)典的機(jī)器視覺檢測應(yīng)用中,更高的靈敏度將允許縮短曝光時(shí)間,加快檢測速度,盡可能節(jié)省照明成本。
6.總結(jié)
作為CCD開發(fā)的先驅(qū),索尼將高質(zhì)量的快門技術(shù)應(yīng)用于其革命性的CMOS傳感器上。此外,通過他們的電路和像素制造技術(shù),索尼在不降低靈敏度的情況下減小了像素尺寸,提高了分辨率。目前的Pregius傳感器比其前身具有更高的靈敏度和更低的噪聲。當(dāng)前的Pregius傳感器可實(shí)現(xiàn)高畫質(zhì),高分辨率和高速成像,無焦平面畸變的功能。這些全局快門傳感器與CDS降噪技術(shù)相結(jié)合,為各種要求苛刻的視覺應(yīng)用場景提供前沿的技術(shù)。Lucid相機(jī)技術(shù)采用索尼Pregius傳感器設(shè)計(jì)和制造,將繼續(xù)在性能和質(zhì)量方面提供更優(yōu)方案。