圖像傳感器選擇標準多？成像性能必須排第一

當涉及到技術(shù)創(chuàng )新時(shí)，圖像傳感器的選擇是設計和開(kāi)發(fā)各種設備過(guò)程中一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節，這些設備包括專(zhuān)業(yè)或家庭安防系統、機器人、條形碼掃描儀、工廠(chǎng)自動(dòng)化、設備檢測、汽車(chē)等。選擇最合適的圖像傳感器需要對眾多標準進(jìn)行復雜的評估，每個(gè)標準都會(huì )影響最終產(chǎn)品的性能和功能。從光學(xué)格式和、動(dòng)態(tài)范圍到色彩濾波陣列（CFA）、像素類(lèi)型、功耗和特性集成，這些標準的考慮因素多種多樣，錯綜復雜。

在各類(lèi)半導體器件中，圖像傳感器可以說(shuō)是最復雜的。這些傳感器將光子轉換為電信號，通過(guò)一系列微透鏡、CFA、像素和模數轉換器（ADC）產(chǎn)生數字輸出。數字化后的信號將進(jìn)行合并、縮放、裁剪、存儲，并在傳感器內部用于高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）處理。

此外，這些傳感器還嵌入了復雜的功能，如功能安全、網(wǎng)絡(luò )安全、輸出格式化和各種類(lèi)型的基本圖像處理。許多高分辨率和高幀率的需求促使輸出信號以數千兆比特的速度通過(guò)各種類(lèi)型的接口傳輸。此外，為了優(yōu)化數字處理過(guò)程，大多數現代圖像傳感器都采用混合鍵合的堆疊晶片結構，頂層晶片包含像素和周邊電路，而底層晶片則針對前面討論的其他數字邏輯進(jìn)行了優(yōu)化。

圖 1. 混合鍵合 CMOS 圖像傳感器的層和橫截面圖

這些圖像傳感器不僅本身非常復雜，而且在為眾多設備和應用選擇合適的傳感器時(shí)也是如此。要成功設計和開(kāi)發(fā)任何需要圖像傳感器的設備，了解選擇標準的復雜性和細微差別至關(guān)重要。設計人員需要從眾多參數中進(jìn)行選擇，例如分辨率、像素大小、像素類(lèi)型、幀率、快門(mén)類(lèi)型、光學(xué)格式、功能特性等等，這讓許多人不禁要問(wèn)：“我該從何入手呢？”

安森美（onsemi）最新的白皮書(shū)對圖像傳感器的選擇標準進(jìn)行了全面分析，并就如何駕馭各種特性和功能提供了深入見(jiàn)解。本文探討影響圖像傳感器選擇的各種因素，旨在幫助工程師和設計人員做出更明智的決策，從而優(yōu)化性能、效率和整體設計。

我們將選擇標準分為三大類(lèi)：

◆ 成像性能

◆ 產(chǎn)品/系統參數

◆ 工具和其他標準

圖 3. 三類(lèi)標準及其子類(lèi)

本文將詳細介紹成像性能。

成像性能

選擇圖像傳感器的首要考慮因素是成像性能。成像始于圖像傳感器可捕捉的實(shí)際光譜范圍。如下圖所示，圖中的粉紅色線(xiàn)條表示圖像傳感器的硅光電二極管對電磁光譜中人眼無(wú)法看到的其他波長(cháng)的敏感性。這些波長(cháng)包括波長(cháng)較短的紫外線(xiàn)（UV）和波長(cháng)較長(cháng)的近紅外線(xiàn)（NIR）。大多數互補金屬氧化物半導體（CMOS）圖像傳感器的檢測范圍在350納米到1000納米之間。不過(guò)，某些技術(shù)也可以對短波紅外（SWIR）成像，而有些技術(shù)則可以進(jìn)一步延伸到紫外線(xiàn)范圍。

圖 4. 電磁頻譜--人眼與硅傳感器的對比

圖像傳感器所采用的技術(shù)在決定其成像性能方面也起著(zhù)至關(guān)重要的作用。CMOS 圖像傳感器最初使用的是前照式（frontside illumination，FSI）技術(shù)，由于在光學(xué)堆疊層和像素之間存在金屬層，該技術(shù)在優(yōu)化捕捉光線(xiàn)方面存在挑戰。然而，隨著(zhù)背照式（backside?illuminated，BSI）技術(shù)的引入，即把像素移到晶片底部，光線(xiàn)可以直接進(jìn)入像素，沒(méi)有任何中間層，從而進(jìn)一步提高了性能。

圖 5. CMOS 圖像傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢

在背照式技術(shù)趨勢之后，又出現了背照式混合鍵合晶片堆疊技術(shù)（backside?illuminated hybrid bonded wafer?stacking technology），為數字邏輯提供了最優(yōu)化的技術(shù)，同時(shí)縮小了傳感器的整體尺寸。單片式圖像傳感器將光敏像素陣列和周?chē)臄底诌壿嫾稍谝粋€(gè)晶片上。 

因此，這些器件的尺寸會(huì )隨著(zhù)數字功能的增加而增大，同時(shí)像素陣列和數字邏輯的工藝技術(shù)相同，導致效率低下。背照式晶片堆疊技術(shù)是將晶片層層堆疊并鍵合在一起，解決了這一問(wèn)題。頂部晶片包含像素和周邊電路。底部晶片包含電路和其他支持功能，從而實(shí)現了尺寸和技術(shù)的優(yōu)化。

光學(xué)格式

光學(xué)格式（Optical Format）是選擇圖像傳感器時(shí)必須考慮的因素，它指的是傳感器的物理尺寸，是一個(gè)假設的測量值，比傳感器的實(shí)際對角線(xiàn)尺寸大50%。最常見(jiàn)的光學(xué)格式包括1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸和1/4英寸。

圖像傳感器的光學(xué)格式?jīng)Q定了可以容納的像素數量與大小，從而影響其成像性能、分辨率以及捕捉和準確再現細節的能力。傳感器及其光學(xué)格式越大，能夠捕捉的光線(xiàn)就越多，這進(jìn)而引出了一個(gè)艱難的權衡：像素數量（分辨率）與像素大?。ㄝ^大的像素可以捕捉更多的光線(xiàn)）。理想情況下，我們希望同時(shí)擁有更高的分辨率和更大的像素，但傳感器越大，設備的成本和體積也就越大。

在光學(xué)格式、成本和期望的成像性能之間找到適當的平衡是一個(gè)難題。例如，在不同的光學(xué)格式下保持相同的分辨率會(huì )導致不同的像素大小。此外，在相同的光學(xué)格式下使用不同XXXZDFCBJ'

像素大小會(huì )導致不同的分辨率。因此，選擇正確的光學(xué)格式需要權衡利弊，并仔細考慮其他選擇標準。

像素技術(shù)是圖像傳感器的核心，也是不斷改進(jìn)的關(guān)鍵。我們的目標是生產(chǎn)出更小但更高效的設備，使其具有與大型設備中的大型傳感器相同的性能。在不斷創(chuàng )新以提高像素性能的同時(shí)，這些權衡也始終存在。

弱光靈敏度

圖像傳感器的一個(gè)重要選擇標準是弱光靈敏度。弱光靈敏度是指圖像傳感器即使在弱光或黑暗條件下也能拍攝清晰、高質(zhì)量圖像的能力。 雖然影響弱光靈敏度的因素很多，但它主要由像素大小決定。

圖 6. 弱光重要性-1 Lux 圖像示例

圖 6 顯示，與較大的像素（右圖）相比，較小的像素（左圖）捕捉光線(xiàn)的表面積較小。因此，大像素可以捕捉更多的光子，在弱光條件下生成更清晰的圖像。不過(guò)，如前所述，較大的像素也會(huì )占用更多空間，而且生產(chǎn)成本較高。因此，如何在像素尺寸、弱光靈敏度、成本和其他選擇標準之間找到平衡點(diǎn)是一項挑戰。

動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是選擇圖像傳感器的另一個(gè)重要方面，指的是圖像傳感器在單張圖像中準確有效地捕捉各種亮度水平的能力。這一標準對于拍攝高對比度場(chǎng)景（如天空明亮但背景陰暗的風(fēng)景）非常重要。  當然，室內場(chǎng)景中也會(huì )有明亮光線(xiàn)和黑暗區域的情況，但室外條件通常更為苛刻。

圖 7. 帶 HDR 和不帶 HDR 功能的傳感器示例

具有高動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器可以在黑暗或弱光區域以及明亮或強光區域捕捉到更多的細節，從而獲得更好的整體圖像質(zhì)量。圖 7 顯示了線(xiàn)性（非 HDR）圖像傳感器（左圖）與 HDR（高動(dòng)態(tài)范圍）圖像傳感器（右圖）相比，前者生成的圖像模糊、對比度低，而后者則更清晰。雖然 HDR 圖像不適用于不需要它的應用場(chǎng)景，但在成像應用中，擁有 HDR 選項正變得越來(lái)越重要。

HDR 成像有三種基本解決方案：

1.空間域：使用 "大小像素 "式結構，即一個(gè)像素包含兩個(gè)子像素，大像素捕捉暗部，小像素捕捉亮部。

2.時(shí)域：改變信號積分的時(shí)間，以不同的曝光周期捕捉多幅圖像，通常稱(chēng)為 "多重曝光"。

3.增益/電容：增加光電二極管的電荷容量或使用多個(gè)信號積分周期

每種解決方案都各有利弊：

■ 空間（大小像素）： 因為圖像是同時(shí)拍攝的，從而減少了運動(dòng)偽影，但其缺點(diǎn)包括降低了弱光下量子效率 (QE)、色彩偽影以及像素尺寸之間的固定比率。

■ 時(shí)域（多重曝光）： 這種方法是使用單個(gè)光電二極管捕捉不同的曝光（弱光、中等亮度和強光），然后將它們組合以創(chuàng )建最終的HDR圖像。但是，由于圖像拍攝的時(shí)間點(diǎn)不同，可能會(huì )出現運動(dòng)偽影和 LED（發(fā)光二極管）閃爍的問(wèn)題。

■ 增益/電容（超級曝光）： 這種方法通過(guò)在像素旁邊添加電容來(lái)增加像素的線(xiàn)性滿(mǎn)阱容量，從而存儲更多電荷并擴展動(dòng)態(tài)范圍。這樣可以延長(cháng)像素的曝光時(shí)間，而不會(huì )出現過(guò)飽和現象，同時(shí)還能考慮到不同的 LED 占空比和頻率。

目前 HDR 成像的趨勢是使用超級曝光技術(shù)，但多重曝光方法仍然是最流行的技術(shù)。然而，每種技術(shù)都有其最適合的特定應用場(chǎng)景。

運動(dòng)

運動(dòng)是影響圖像傳感器性能和選擇的另一個(gè)因素，指的是圖像傳感器拍攝運動(dòng)物體時(shí)不產(chǎn)生運動(dòng)模糊或失真的能力。較高的幀率（以每秒幀數或fps衡量）能更好地拍攝運動(dòng)物體。此外，不同類(lèi)型的傳感器處理運動(dòng)的方式也有所不同。

兩種主要的圖像傳感器結構類(lèi)型是：

1.卷簾快門(mén)（Rolling Shutter）：在這種類(lèi)型中，像素逐行曝光并讀取，這一過(guò)程會(huì )沿著(zhù)像素陣列逐行進(jìn)行。由于每一行的曝光時(shí)間不同，因此在拍攝快速移動(dòng)的物體時(shí)可能會(huì )造成運動(dòng)偽影或失真。

2.全局快門(mén)（Global Shutter）：這種類(lèi)型可同時(shí)捕捉所有像素的曝光，消除了時(shí)間延遲，從而獲得更準確且無(wú)失真的圖像。不過(guò)，使用全局快門(mén)傳感器時(shí)，靈敏度、QE 和 HDR 性能可能會(huì )成為潛在的權衡因素。

圖 8. 拍攝快速移動(dòng)物體時(shí)的卷簾快門(mén)與全局快門(mén)對比

快速運動(dòng)是使用全局快門(mén)傳感器的一種情況，但還有其他場(chǎng)景也適用。通常，最佳選擇是配合“主動(dòng)照明”技術(shù)；這基本上是指近紅外發(fā)光二極管（NIR LED）或垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Service Emitting Lasers，VCSEL），它們的脈沖周期很短，可用于確定性地控制照明。這些技術(shù)可以在幾乎沒(méi)有環(huán)境光的情況下使用。人眼無(wú)法感知NIR LED的光，只能感知可見(jiàn)光范圍LED的光。

盡管由于波長(cháng)的原因，人眼無(wú)法感知NIR LED，但眼睛仍可能受到其傷害。因此，如果NIR光沒(méi)有以適當的強度和周期發(fā)射，就有可能使毫無(wú)防備的人失明。此外，降低NIR LED的占空比還可以減少功耗。由于這些NIR LED的開(kāi)啟時(shí)間非常短（有時(shí)僅為微秒級別），因此必須在這段時(shí)間內捕捉整個(gè)傳感器陣列的數據。

圖 9. 提高全局快門(mén)效率（GSE）

全局快門(mén)的一個(gè)顯著(zhù)缺點(diǎn)是存儲元件（ME）會(huì )吸收光線(xiàn)，這會(huì )導致雜光靈敏度（PLS）問(wèn)題。存儲元件吸收的雜光越多，PLS 就越高。全局快門(mén)效率（GSE）是一個(gè)指標，用于衡量存儲元件中的信號電荷受到雜光影響的程度。圖9顯示，較差的GSE會(huì )導致PLS升高和運動(dòng)問(wèn)題，而良好的GSE則會(huì )帶來(lái)更好的運動(dòng)性能。

關(guān)于近紅外（NIR）照明，并參考圖4，CMOS圖像傳感器在這些波長(cháng)下的量子效率 (QE)較低，也增加了主動(dòng)照明應用的復雜性。要使全局快門(mén)具有更好的NIR響應，一種解決方案是在光電二極管下方加厚外延層 (EPI)。更厚的EPI可以捕獲更長(cháng)波長(cháng)的光，并由光電二極管接收。然而，更厚的EPI可能會(huì )引入雜光進(jìn)入相鄰像素的風(fēng)險，從而降低調制傳遞函數（MTF），即圖像清晰度。

因此，為了達到最佳系統性能，必須在NIR響應和調制傳遞函數（MTF）之間找到適當的平衡。每個(gè)系統的需求不同，有些可能需要更強的信號（更高的NIR量子效率），而另一些可能需要更好的MTF（清晰度）。關(guān)鍵在于找到一種方法，使光線(xiàn)能夠到達合適的光電二極管，同時(shí)提高NIR靈敏度而不降低MTF，如下圖所示。這對于傳感器廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)是一個(gè)復雜的選擇，并且會(huì )因應用而異。

圖 10. 改進(jìn)工藝以提高NIR響應和保持 MTF

其他影響成像效果的技術(shù)趨勢和考慮因素

除了已經(jīng)討論過(guò)的內容外，在確定傳感器的成像性能時(shí)，還有其他技術(shù)趨勢和考慮因素需要權衡。

▲ 成像深度

在機器視覺(jué)、AR/VR、駕駛員監控等各種應用中，深度變得越來(lái)越重要。實(shí)現深度的一種方法是通過(guò)間接飛行時(shí)間（iToF）傳感器，這種傳感器通過(guò)測量光的不同相位以及光從傳感器傳播到反射回來(lái)的時(shí)間來(lái)確定距離。另一種方法是通過(guò)安裝立體攝像頭，使用多個(gè)視差攝像頭從略微不同的角度和更遠的距離拍攝和比較圖像，從而計算深度。

▲ 幀率

雖然幀率會(huì )根據應用的不同而有所波動(dòng)，但在涉及快速移動(dòng)物體的應用中，對更高幀率的需求日益增長(cháng)。更高的幀率能夠實(shí)現更好的運動(dòng)捕捉效果，并減少運動(dòng)模糊，這使得它在機器視覺(jué)、掃描以及其他專(zhuān)業(yè)成像應用中顯得尤為重要。提高幀率還可以抵消運動(dòng)帶來(lái)的影響，并減少對全局快門(mén)的需求。

▲ 溫度性能

圖像傳感器對溫度極為敏感，因此必須考慮其在不同曝光和條件下的性能。溫度過(guò)高或過(guò)低以及在較高占空比下長(cháng)時(shí)間運行都會(huì )影響傳感器的性能。因此，了解溫度性能及其如何影響所需應用的成像能力至關(guān)重要。

▲ 色彩濾波陣列（Color Filter Array，CFA）

傳感器的CFA是一種用于解析（或不解析）圖像色彩的濾光片，在決定圖像的色彩準確度和效果方面起著(zhù)重要作用。CFA有多種類(lèi)型，每種類(lèi)型在色彩準確度、清晰度、光敏感度和圖像質(zhì)量方面都有其優(yōu)缺點(diǎn)。標準的彩色傳感器使用拜耳陣列CFA，它以紅、綠、藍、綠的陣列覆蓋像素。這種模式由柯達前員工Bryce Bayer于1976年發(fā)明?？逻_的成像部門(mén)后來(lái)被分拆成一家名為T(mén)rue sense的公司，而這家公司于2014年被安森美收購。另一個(gè)例子是單色傳感器，它提供單一的黑白圖像，但靈敏度更高（因為沒(méi)有彩色 "濾光片"），尤其是在不需要或未提供色彩信息的情況下，例如上述的主動(dòng)近紅外（NIR）照明應用。

特殊類(lèi)型的CFA，如RCCC（紅、透明、透明、透明）、RYYCy（紅、黃、黃、青）和RCCB（紅、透明、透明、藍），能夠在收集部分色彩信息的同時(shí)讓更多的光進(jìn)入像素。這在汽車(chē)成像等應用中非常有用，例如可能需要紅色來(lái)檢測剎車(chē)燈或交通信號燈，但仍需要最大限度的光量。與此同時(shí)，RGB-IR CFA允許像素同時(shí)捕捉可見(jiàn)光和紅外光，從而使系統能夠同時(shí)處理和成像這兩種類(lèi)型的光線(xiàn)。

未完待續，后續文章我們將介紹產(chǎn)品/系統參數、工具和其他標準。

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