Sony 4th Generation "Pregius S": The Next Evolution of Image Sensors?
With a smaller pixel size combined with backside illuminated technology, Sony was able to increase resolutions within compact sensor sizes without sacrificing imaging quality with their 4th generation Pregius sensors – named “Pregius S”. But do these latest sensors mean you should disregard previous generations? Take a deep dive and discover the strengths that each generation has to offer.
早期产品...
2013年，索尼发布了该公司首款Pregius CMOS（互补型金属氧化物半导体）传感器 – 230万像素的IMX174。在该产品之前，全局快门的CCD传感器因其分辨率更高、图像质量更好并可快速读出从而一直成为市场领先产品。CMOS传感器虽然价格较低，帧率较高，但成像性能较差，只能提供卷帘快门读出。 IMX174的问世则改变了这一切。IMX174 CMOS传感器不仅通过更高的量子效率、更高的动态范围和更低的读取噪声展现出了更佳图像质量，还提供了全局快门读出功能，输出的帧速率比当时的等效能CCD更高。随着全局快门Pregius传感器的不断发展，现在历经4代产品的发展，用户可选择的传感器更加多种多样。
全新第四代代索尼Pregius CMOS传感器称为”Pregius S”。虽然每一代产品都比上一代有所改进，但老一代产品的某些功能依旧强大。您可以根据正在寻找的分辨率类型、帧速率、图像质量性能或传感器功能决定哪一代产品最合适。
索尼第4代"Pregius S":背照式(BSI)
对于第4代”Pregius S”图像传感器，索尼公司首次将其背照式(BSI)像素结构与全局快门读出相结合。尽管在这4代产品中，Pregius S传感器的像素规格最小(2.74μm), 该产品之所以能保持类似图像质量性能主要得益于背照式（BSI）像素结构。
入射角更宽 = 感光度更好
即使是更小的像素尺寸，第四代Pregius S传感器仍能保持同等的灵敏度，部分原因是改进了低入射角的性能。例如，在+/-20°时，第二代传感器只接收10%的光线到达像素，而第四代传感器接收40%的光线。这是因为第四代传感器的微透镜与光电二极管表面之间的距离要近得多。
分辨率：高速和标准速度
第一代Pregius仅包含1个分辨率选项–1936 x 1216（230万像素）。然而，此分辨率有两种帧率变化：高速和标准速度。高速IMX174的最大帧率为166帧/秒，而标准速度IMX249的帧速降为41帧/秒。 在降低成本的情况下，标准速度的变化会限制最大帧率，限制ADC（模数转换器）、 binning（像素合并）和ROI选项，同时保持与高速变化相同的图像质量性能。随着未来数代产品和型号的发布，索尼将继续这种提供高速和标准速度变化的趋势。
以下的列表和图表说明了Pregius关于百万像素和帧速传感器型号的总体计划蓝图。每一代产品都会有不同的型号，不同的分辨率和帧率。虽然来自不同代的一些型号产品功能交迭，但深入研究每一代产品的像素技术将有助于区分某些型号功能交迭的原因。
Generation 1
| 高速 | 标准速度 |
|---|---|
| IMX174 (2.3MP @ 166 FPS) | IMX249 (2.3MP @ 41 FPS) |
*注:这些图表中给出的最大帧率基于索尼制定出的传感器最大帧率规格。对于大多数高速版本，最大帧率基于8位模式。标准速度最大帧率基于10位或12位模式。最大帧速率会根据位深度、相机制造商、接口带宽和连接到主机PC的相机数量而变化。
Generation 2
| 高速 | 标准速度 |
|---|---|
| IMX342 (31.4MP @ 35 FPS) | |
| IMX367 (19.6MP @ 43 FPS) | |
| IMX387 (16.9MP @ 61 FPS) | |
| IMX253 (12.3MP @ 68 FPS) | IMX304 (12.3MP @ 23 FPS) |
| IMX255 (8.9MP @ 94 FPS) | IMX267 (8.9MP @ 32 FPS) |
| IMX250 (5.0MP @ 163 FPS) | IMX264 (5.0MP @ 36 FPS) |
| IMX252 (3.2MP @ 216 FPS) | IMX265 (3.2MP @ 56 FPS) |
| IMX392 (2.3MP @ 200 FPS) | |
| IMX273 (1.6MP @ 276 FPS) | IMX296 (1.6MP @ 60 FPS) |
| IMX287 (0.4MP @ 523 FPS) | IMX297 (0.4MP @ 121 FPS) |
Generation 3
| 高速 | 标准速度 |
|---|---|
| IMX420 (7.1MP @ 207 FPS) | IMX428 (7.1MP @ 35 FPS) |
| IMX421 (2.8MP @ 409 FPS) | IMX429 (2.8MP @ 43 FPS) |
| IMX422 (2.0MP @ 477 FPS) | IMX430 (2.0MP @ 132 FPS) |
| IMX425 (1.7MP @ 662 FPS) | IMX432 (1.7MP @ 98 FPS) |
Generation 4
| 高速 | 标准速度 |
|---|---|
| IMX530 (24.5MP @ 106 FPS) | IMX540 (24.5MP @ 35 FPS) |
| IMX531 (20.4MP @ 109 FPS) | IMX541 (20.4MP @ 42 FPS) |
| IMX532 (16.2MP @ 159 FPS) | IMX542 (16.2MP @ 52 FPS) |
Sony Pregius 各代产品–百万像素 VS 最大帧率散点图
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平衡法：像素大小和图像质量
各代产品之间的差异很大程度上归因于像素大小和像素技术。每一代产品的像素大小不同；第一代是5.86μm；第二代是3.45μm；第三代是4.5μm；第4代是2.74μm。像素大小不仅会决定多少像素适合一个特定的传感器规格，还会产生不同的图像质量性能特征。 每一代传感器都具有独特的饱和容量、随机读出噪声、动态范围和量子效率。一般情况下，像素尺寸越大，饱和容量和颞暗噪声越高。例如，第一代传感器的平均饱和容量最高为33000e-，但同时也有最高的颞暗噪声7e-。与第四代传感器相比，第四代传感器具有最小的像素尺寸，因此最低的饱和容量平均值为9500e-，而最低的颞暗噪声为2.1e-。 饱和容量和暗噪声之间的这种比例关系使得Pregius传感器能够在各代产品之间保持大约70db的动态范围，即使它们的像素大小不同。
比较平均EMVA1288结果与像素大小
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| Pregius 各代产品的像素大小 | 饱和容量 | 读出噪声 | 动态范围 |
|---|---|---|---|
| 1st Gen: 5.86µm | 33000 e- | 7 e- | 70 dB |
| 2nd Gen: 3.45µm | 10500 e- | 2.3 e- | 71 dB |
| 3rd Gen: 4.5µm | 25000 e- | 5.5 e- | 72 dB |
| 4th Gen: 2.74µm | 9500 e- | 2.1 e- | 71 dB |
比较这4代产品的量子效率(QE)平均值，可以看出它们之间的一些主要差异。第一代Pregius传感器显示峰量子效率（peak QE）在480到540nm范围内。第二代的峰量子效率（peak QE）较低，但第三代使峰量子效率（peak QE）回到接近第一代的结果，大大提高了整个范围的效率，并获得了最佳的近红外(700纳米到900纳米)性能。第四代传感器与第一代传感器拥有的峰量子效率性能相似，同时提供第一代和第三代之间的中间性能（该曲线的其余部分）。QE图表突出了每一代产品独特的效率曲线，显示出后代产品不一定有直接的性能改善。
各代产品的平均量子效率
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注: QE对比图显示的结果以传感器盖板玻璃的工业相机型号EMVA 1288测试为基准。
传感器尺寸和片幅
小像素的一个主要优点是按特定传感器规格可提供更多像素。这可以让工业相机体积变得更加小巧并可使用更小型光学器件，如：C型镜头座、NF镜头或S型座镜头。例如,1.1″型传感器规格的最大百万像素数目随像素尺寸降低而增长: 第三代(4.5μm)传感器是7.1 MP, 第二代(3.45μm)是12.3 MP, 第四代(2.74μm)是20 MP。对于某些应用，在换到具有相同传感器尺寸的更高百万像素的相机时，可能会保留光学器件或镜头。在其他情况下，更换不同尺寸的传感器可能意味着对光学硬件的全面替换。
下图显示了Pregius各型号的百万像素与传感器规格之间的关系。总体而言，与前几代相比，第四代传感器在许多传感器规格上增加了百万像素。
Pregius传感器尺寸 VS 百万像素
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| Gen 1 | Gen 2 | Gen 3 | Gen 4 |
|---|
Pregius各代产品之间的传感器片幅差异很大，每代都提供多个不同的长宽比。各代产品中最常见的长宽比是4:3。该比例可产生标准的横向视图，宽度总比高度宽33%。 第二代传感器提供的长宽比(相片的长宽比)种类数目最多(1:1,5:4,4:3,16:10,16:9,17:9)，，而第四代传感器提供的长宽比种类较之更少(1:1,5:4,4:3,16:9)。Pregius传感器总共提供了7种不同的片幅，从正方形到宽屏，可应用范围广。
| 正方形 1:1 | 5:4 | 4:3 | 16:11 | 16:10 | 16:9 | 宽屏 17:9 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 20.4 MP IMX531 | 5.0 MP IMX250 | 31.4 MP IMX342 | 7.1 MP IMX420 | 2.3 MP IMX392 | 16.8 MP IMX387 | 8.9MP IMX255 |
| 20.4 MP IMX541 | 5.0 MP IMX264 | 24.5 MP IMX530 | 7.1 MP IMX428 | 2.3 MP IMX174 | 16.2 MP IMX532 | 8.9MP IMX267 |
| 19.6 MP IMX367 | 2.8 MP IMX421 | 24.5 MP IMX540 | 1.7 MP IMX425 | 2.3 MP IMX249 | 16.2 MP IMX542 | |
| 2.8 MP IMX429 | 12.3 MP IMX253 | 1.7 MP IMX432 | ||||
| 12.3 MP IMX304 | ||||||
| 3.2 MP IMX252 | ||||||
| 3.2 MP IMX265 | ||||||
| 2.0 MP IMX422 | ||||||
| 2.0 MP IMX430 | ||||||
| 1.6 MP IMX273 | ||||||
| 0.4 MP IMX287 |
传感器功能∶推陈出新，不断改进
自第一代以来，索尼不断推出很多特别的传感器功能，其中许多功能在不同的应用中都很实用。如下特点：具有内置组合传感器HDR（高动态范围）功能性的双ADC（模数转换器）功能; 连拍快门间隔极短，仅为2μsec; 监测曝光时间是第四代传感器的新功能。无论哪种功能，索尼的目标是为用户提供新颖独特的成像模式，以及提高现有功能的效率和功能。新传感器具有可让用户以全新方式成像的功能。例如，Self Trigger——自触发(第3代)允许用户通过检测指定ROI中的变化来触发相机。这种新颖的传感器功能通常需要额外的设备来触发相机或专门的第三方软件。带有On-Sensor Combination——传感器组合的双ADC(第4代)是改进功能的一个例子。 第3代传感器率先推出双ADC，但处理HDR图像却在相机的ISP或主机PC上完成。现在该处理过程可在传感器上进行，从而释放了系统资源空间，简化了HDR图像的创建方式。
以下列出的功能都可供相机制造商选择实施，这意味着对用户而言，某些传感器功能可能可用，也可能不可用。LUCID将逐步通过无障碍取像固件更新实现并支持这些有价值的传感器功能。
在全分辨率范围内设置多个ROI（感兴趣区域）
在一个图像帧内设置多重曝光时间。
具有高成像质量和优化低光性能的无失真成像
设置两个ROI（感兴趣区域）--当一个ROI检测到其区域的变化时触发另一个拍摄图像
设置短曝光时间和2μsec一样快
低增益和高增益图像在同一帧上拍摄。可结合相机上的ISP（图像信号处理器）输出摄像数据
高增益可实现最高灵敏度和最小读噪声(最适合光线不足)，低增益适用于增加饱和容量和动态范围(最适合强光)
设置两项不同水平的曝光和增益。每项都可单独触发
拍摄一张高增益和低增益的图像（在同一帧上）后合并可产生HDR图像
快门之间的时间可设置为和2μsec一样快
输出一个与曝光的实际输入触发相对应的信号
该温度计精度更高，热管理功效更好
具有高成像质量和优化低光性能的无失真成像
在全分辨率范围内设置多个ROI（感兴趣区域）
在一个图像帧内设置多重曝光时间。
设置短曝光时间和2μsec一样快
低增益和高增益图像在同一帧上拍摄。可结合相机上的ISP（图像信号处理器）输出摄像数据
设置两项不同水平的曝光和增益。每项都可单独触发
设置两个ROI（感兴趣区域）--当一个ROI检测到其区域的变化时触发另一个拍摄图像
拍摄一张高增益和低增益的图像（在同一帧上）后合并可产生HDR图像
快门之间的时间可设置为和2μsec一样快
输出一个与曝光的实际输入触发相对应的信号
该温度计精度更高，热管理功效更好
高增益可实现最高灵敏度和最小读噪声(最适合光线不足)，低增益适用于增加饱和容量和动态范围(最适合强光)
| 传感器特点 | 1st Gen | 2nd Gen | 3rd Gen | 4th Gen | Comments |
| Multi frame set | 2f | 2, 4f | 2, 4f | 2, 4f | #f = 设置帧数 |
|---|---|---|---|---|---|
| Multi exposure trigger | |||||
| Low power consumption | 已更新为第4代 | ||||
| ROI mode | (4x4) | (8x8) | w/ overlap, (8x8) | w/ overlap, (8x8) | (#x#) = 仅高速 |
| Multi frame ROI mode | |||||
| Thermometer | |||||
| Gradation compression | = 仅高速 | ||||
| Short exposure mode | |||||
| Self trigger | = 仅高速 | ||||
| Dual trigger | = 仅高速 | ||||
| On-sensor conversion gain | |||||
| Dual ADC | = 仅高速 | ||||
| Dual ADC with on-sensor combination NEW | = 仅高速 | ||||
| Short shutter interval NEW | |||||
| Exposure time monitoring NEW | |||||
| I2C slave address | 3 | 3 | 3 | 9 | # = I2C slave address number |
为用户实现Pregius性能最大化
相机制造商通过为最高成像质量作好准备而发挥了重要作用。在设计和制造阶段做出的决策会极大地影响相机的功能和传感器的性能。以下几个方面将有助于终端用户了解传感器的最大潜能。
主动式传感器校准和质量控制测试
第四代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。这使得传感器对相机内的传感器对准公差更加敏感。传感器后焦距(BFD)、相机镜头筒旋转和倾斜方面的偏差会对图像质量产生负面影响。 增强倾斜的大传感器可以降低传感器各角的图像清晰度。另一方面，一个小传感器的一个中心位移将影响相机座架的置放。为了确保每个传感器都准确地安装在每个相机设备内，LUCID在传感器的安装阶段采用了主动式传感器调准对齐。 主动式传感器调准对齐可让LUCID实时测量传感器的精确位置，而传感器则被连接到相机上。该系统使用一个六自由度( 6-DoF)夹具，并在传感器上叠加一个结构光模式。这种光模式为了在放置过程中实现最大锐度而进行测量。此外，所有LUCID相机都要经过传感器和盖板玻璃上的灰尘颗粒、热像素、暗像素或缺损像素方面的测试。主动式传感器调准对齐结合像素和灰尘检查，确保产生稳定一致的高质量成像。
<strong左:传感器上叠加了一个光图案。倾斜、旋转和深度的任何不一致都会扭曲光图案。通过使用6DoF系统(右图)移动传感器来测量和补偿这些失真。这样，传感器就能实时调整到正确的位置。
帧速率和接口带宽
根据相机选择的接口，某些传感器将有不同的最大帧速率。为了满足Pregius S传感器的高读出速度，LUCID的新Atlas10将带有万兆的接口，与NBASE-T兼容，可以降低到5/2.5/1 GigE的速度。第一款配备2450万像素索尼Pregius S IMX530传感器的Atlas10型号将在2020年第二季度上市，今年晚些时候将推出其他型号。
10 GigE是一个性价比高的接口，可为双绞线铜电缆提供高带宽。
高度通用
Pregius系列传感器提供了各种各样的传感器，可满足众多的成像需求。总共有38个传感器用于跨越4代Pregius的工业应用。该系列中，帧率变化有2种：高速和标准速度，像素大小有4个规格，传感器尺寸有12个规格，片幅(相片的长宽比)有7种，分辨率从40万到3140万像素。对于寻求更高灵敏度的用户来说，第一代和第三代传感器的饱和容量最高，这是由于其像素尺寸更大。第二代传感器提供最广泛的分辨率和片幅(相片的长宽比)。第四代传感器采用小型传感器，分辨率最高,同时，背照式2.74μm像素可保持总感光度。无论选择哪种传感器，重要的是要考虑高质量的组件，如光学器件和照明，以及使用摄像机的制造过程，最大限度地提高成像质量，如主动式传感器校准和质量控制测试。