關(guān)于圖像傳感器的像素誤區

圖像傳感器的應用日益普及，特別是在安防、工業(yè)和汽車(chē)應用領(lǐng)域。很多汽車(chē)現在都配備了至少五個(gè)以上基于圖像傳感器的攝像頭。但是，圖像傳感器技術(shù)不同于標準半導體技術(shù)，存在著(zhù)一些錯誤認知。

摩爾定律和圖像傳感器

有些人假設著(zhù)名的“摩爾定律”也適用于圖像傳感器。戈登·摩爾（Fairchild半導體公司的創(chuàng )始人，Fairchild半導體現在是安森美的一部分）指出，集成電路 (IC) 上的晶體管數量每?jì)赡暝黾右槐?。為了將兩倍數量的晶體管放置在單個(gè)器件上，縮小晶體管是主要實(shí)現方式。這種趨勢已經(jīng)持續了數十年，但近年晶體管數量增長(cháng)速度有所減緩。晶體管密度增大還導致單位晶體管成本降低，因而很多電子系統的功能越來(lái)越豐富多樣，但價(jià)格沒(méi)有上漲。

但圖像傳感器卻有所不同，因為它的一些重要部件不會(huì )隨著(zhù)晶體管變小而擴增。具體來(lái)說(shuō)，圖像傳感器的光學(xué)元件比如光電二極管（將入射光轉換為電信號）和一些模擬元件（將電信號轉換為數字圖像）不能像數字邏輯元件那樣簡(jiǎn)單地擴增。在傳感器中，圖像捕獲主要采用模擬技術(shù)，由數字電路將來(lái)自每個(gè)像素的數字數據轉換為圖像，這些圖像可以被存儲、顯示或用于人工智能機器視覺(jué)。

如果像素數量每?jì)赡暝鲩L(cháng)一倍，同時(shí)鏡頭尺寸保持不變，那么像素將會(huì )變小，導致接收的光子更少。（想一下雨天的水桶，更小的水桶收集的雨滴更少）。因此，傳感器必須在單位面積靈敏度和降低噪聲方面表現更加出色，才能在低光照條件下生成同樣優(yōu)質(zhì)的圖像。如果不是出于產(chǎn)品的應用場(chǎng)景需要，增加像素數量不僅沒(méi)有任何意義，還會(huì )導致帶寬和存儲空間被迫增加，使得系統其他部件的成本上升。

像素大小

僅通過(guò)像素大小不足以確定像素性能。我們不能想當然地假定更大的像素必定帶來(lái)更好的圖像質(zhì)量。盡管不同光照條件下的像素性能非常重要，而且像素越大，就有更大的面積來(lái)收集光，但這不一定能夠提高圖像質(zhì)量。另外還有多個(gè)因素也同樣重要，包括分辨率和像素噪聲指標。

如果提高分辨率對應用的影響大于減少單個(gè)像素的影響，那么像素較小的傳感器可能在性能上優(yōu)于相同光學(xué)面積下像素較大的傳感器。重要的是，要確保接收到光子的數量的能力足以形成高質(zhì)量圖像，因而像素靈敏度（光電轉換效率）和應用環(huán)境非常重要。

在為應用選擇傳感器時(shí)，像素大小是個(gè)考慮因素。但是，人們可能過(guò)于夸大了它的重要性；它只是多個(gè)參數中的一個(gè)，對于其他幾個(gè)參數，也應給予同樣的認真考量。選擇傳感器時(shí)，設計人員必須考慮目標應用的所有要求，然后在速度、靈敏度、圖像質(zhì)量上找到理想平衡，以實(shí)現合適的設計解決方案。

大小像素設計

在很多應用中，盡可能地擴展動(dòng)態(tài)范圍具有重要價(jià)值，有助于在最終圖像中正確渲染陰影和高光，但這對于圖像傳感器可能具有很大的挑戰性。有些公司采用了一種名為“大小像素”的技術(shù)，目的是解決為光電二極管創(chuàng )造更多容量的難題，以便在二極管“飽和”之前收集電子。

在大小像素方法中，專(zhuān)用于單個(gè)像素的傳感器區域被分為兩個(gè)部分：較大的光電二極管覆蓋大多數區域，較小的光電二極管使用剩余區域。較大的光電二極管收集更多光子，在明亮光照條件下很容易飽和。較小的光電二極管可以暴露更長(cháng)時(shí)間而不會(huì )飽和，因為可用于收集光子的面積較小?？梢孕蜗蟮貙⑺鼈冾?lèi)比為使用水桶和水瓶來(lái)收集雨滴。水桶通常是頂部比底部更寬，因而可以非常高效地收集雨滴，比水瓶更快地裝滿(mǎn)；而水瓶開(kāi)口小，瓶身比較寬，收集起來(lái)比較慢。在低光照條件下使用更大的像素，在明亮光照條件下使用更小的像素，可以形成擴展的動(dòng)態(tài)范圍。

圖 1：復雜的半導體，從光子到圖像輸出

安森美為單個(gè)像素增加了一個(gè)區域，讓多出來(lái)的信號或電荷能夠溢出到該區域，從而解決了上述問(wèn)題。想象一下，我們使用水桶來(lái)接雨滴，然后有一個(gè)更大的盆來(lái)接住從水桶溢出的水?！八啊毙盘栆子谧x取，具有很高的精度，因而我們能夠達到良好的低光照性能，更大的盆則容納了溢出的所有信號，從而擴展了動(dòng)態(tài)范圍。這樣，整個(gè)像素區域用于低光照條件，而不會(huì )在明亮光照條件下出現飽和。飽和會(huì )降低圖像質(zhì)量，例如會(huì )使顏色失真，清晰度下降。安森美的超級曝光技術(shù)可在高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景中提供更好的圖像質(zhì)量，適用于人眼視覺(jué)和機器視覺(jué)應用。

圖 2：XGS 16000 是一款 1600 萬(wàn)像素 CMOS 圖像傳感器