索尼IMX490 CMOS传感器：24位HDR图像传感器

索尼5.4 MP IMX490 CMOS 传感器采用亚像素技术，可提供真正的HDR拍摄和LED频闪缓解功能。与传统的 HDR 相比，亚像素技术具有许多优势，其中包括对运动场景进行HDR拍摄而不产生运动伪影。本技术简报将介绍HDR技术的工作原理。

介绍

为了增加更多的芯片功能和获得更高的低光灵敏度，传感器一直在不断改进，但应用工程师需要面临着努力突破相机和传感器的极限而产生的增值压力。这通常会导致工程师在主机 PC 上进行图像后处理。其中一种后处理功能是为高对比度场景（例如户外汽车应用中的场景）实现高动态范围 (HDR) 处理。随着索尼 IMX490 CMOS 传感器的发布，索尼将 HDR 处理转移到传感器上，让视觉工程师有机会简化他们的 HDR 应用程序，同时还可以利用 LUCID 的相机上 24 位图像处理通道。

高动态范围：传统方式

HDR 成像通常需要处理多张图像，每张图像都有不同的曝光时间，并组合成单个图像。不同的曝光设置可以在高光和阴暗的环境中收集更多可用的图像数据。例如，较长的曝光时间可以在阴暗环境中捕获更多数据，但牺牲高光下的数据。较短的曝光时间，在高光环境中捕获更多可用数据，同时曝光太短而无法在阴暗环境中捕获任何可用数据。最终处理的图像将从每次曝光中获取最佳数据，并将其组合成 HDR 图像。

上图：传统 HDR 将一系列的多幅图像组合在一起，每幅图像都有不同的曝光时间。这些图像一张接一张地拍摄，在主机 PC 上进行处理并合成单个张HDR 图像。

边注

传统HDR 成像可以使用相机的序列器功能完成。序列器允许对相机进行编程，一张接一张地拍摄一系列图像。每张图像可以有不同的设置，包括不同的分辨率、增益、曝光等。然后在主机 PC 上处理这些图像。

传统 HDR：不适合运动拍摄

传统 HDR 成像非常适合静态场景拍摄，但高速场景（例如在汽车应用中）可能会产生运动伪影。当场景中的对象在不同曝光之间改变位置时，会产生运动伪影。因为每次曝光都是在不同时间的进行，曝光之间的延迟会导致后处理生成的HDR图像看起来变形或扭曲。

上图：传统HDR处理使用曝光序列，对于运动的场景并不理想。因为每次曝光之间的延迟不同，会产生运动伪影。.

最终 HDR 结果，运动伪影：

生成的 HDR 图像具有严重的运动伪影，在汽车和建筑物中变形很明显。

IMX490：同时曝光

与传统HDR 处理不同，索尼 IMX490 CMOS 传感器的曝光时间相同并同时曝光，曝光之间没有任何延迟，这主要是传感器的亚像素技术（也称为分割像素技术），其传感器包含大像素和小像素，不同像素尺寸具有不同的光敏度。此外，每个亚像素都以高和低转换增益读出，为每个像素提供四个 12 位通道。这四个通道在传感器上进行处理并组合成单个线性 24 位 HDR 值。（注意：虽然可以在大像素和小像素之间更改每个像素的曝光时间，但建议保持相同）。

上图：索尼的 IMX490 传感器不仅有 2 种不同大小的像素（一大一小），而且每个像素都有 2 通道输出（高增益，低增益）。这使得4次曝光同时发生。

上图： 4 通道的数据在传感器上组合成一张 24 位 HDR 图像

IMX490：频闪减轻

IMX490另一个好处是 LED频闪减轻。许多传统的 HDR 相机必须使用非常短的曝光时间来测量明亮场景中的低灵敏度数据，以避免光电二极管过饱和。短曝光时间可能足够短，足以捕捉 LED 频闪——LED 电源中的快速电压变化会导致 LED 在开启和关闭之间快速切换，导致 LED 频闪。 IMX490采用了亚像素技术，不需要使用短曝光时间。对明亮区域更敏感的特定亚像素可以设置为与其他像素相同的更长曝光时间，从而使传感器能够减轻频闪。

上图：非常短的曝光时间可以捕捉到 30、50 或 60 Hz 的 AC LED 频闪。 IMX490 的低灵敏度亚像素可以在更长的曝光时间下工作，平均消除频闪。

工作原理：像素结构

传感器的设计包括提高整体灵敏度同时降低图像噪声的技术。 IMX490 是背照式 (BSI) 传感器，布线层位于光电二极管下方。使得更多的光到达光电二极管而不被电路阻挡，从而提高灵敏度。每个亚像素还具有不同尺寸的微透镜，以便更好地将光聚焦到各自的光电二极管中。实施光屏蔽以及深沟槽，将每个像素的两个亚像素之间的光学串扰和电荷泄漏隔离开。所以IMX490具有高量子效率、超过 120dB 的动态范围，以及 120000 e-的饱和容量。

上图：放大传感器显示两个不同大小的像素

两个亚像素的特写视图（模拟图像）

像素结构的截面图。 IMX490 是一款背照式卷帘快门 CMOS 传感器。

Interactive graphs – please hover over the points in the graph to reveal QE %

TRI054S-CC (彩色, Sony IMX490 CMOS)

彩色EVMA 1288结果
动态范围	123.6 dB
SNR (最大值)	50.8 dB
饱和容量	120000 e-
绝对灵敏度阈值(测量在527.5nm)	1.5 γ
颞暗噪声	0.54 e-
增益	9.83 DN₂₄ / e-

EMVA 1288 is the Standard for Measurement and Presentation of Specifications for Machine Vision Sensors and Cameras. For more information of the EMVA 1288 standard please visit http://www.emva.org/standards-technology/emva-1288/

如前所述，IMX490 使用每个像素周边的两种亚像素来实现高动态范围，这些亚像素的灵敏度和饱和度容量各不相同。每个亚像素都以高和低转换增益读出，为每个像素提供四个 12 位通道。四个通道组合成单个线性 24 位 HDR 值。 EMVA1288 标准不适用于 24 位组合数据，而是适用于单个通道。结果是在各个通道上测量的，并在适当时进行缩放，以反映通道如何组合成 24 位 HDR 图像。

像素电位截面和驱动时序

IMX490 的独特设计结合了亚像素 1 (SP1) 和亚像素 2 (SP2) 的多个浮动扩散。当同时曝光时， SP1 和 SP2 的信号串行输出。下面的动画显示了像素电位的各个阶段以及像素驱动时序。

阶段：

8) SP1 和 SP2 中的所有电荷都被重置。
1) 曝光：亚像素（SP1和SP2）同时曝光。

SP1 读出：
2) SP1 复位电平对低增益和高增益进行采样。
3) 对 SP1 高转换增益的信号进行采样。
4) 对 SP1 低转换增益的信号进行采样。
* SP1 的复位和信号电平进行采样，所以亚像素可以执行相关双采样 (CDS) 来降噪。

SP2 读出：
5) 对SP2 的高转换增益进行采样。
6) 对SP2 的低转换增益进行采样。
7) 对SP2 的复位电平进行采样。
* SP2的复位电平采样在信号采样之后，所以 SP2 不能执行CDS。 SP2 使用增量重置采样来抑制噪声。
8) SP1 和 SP2 中的所有电荷都被重置。

接下来的步骤：在ArenaView中使用LUCID的TRI054S IMX490

如需了解如何在ArenaView中使用LUCID的TRI054S-CC，请访问我们的知识库文章：在ArenaView中使用LUCID的TRI054S IMX490

这篇知识库文章介绍了TRI054S-CC的各种功能和选项，包括HDR调整、图像增强、数字钳位等。此外，文章还包括有关更改位深度显示、调整 LUT 和切换色调映射 Gamma 的说明。

总结

将索尼的IMX490与LUCID的Triton IP67相机搭配，可提供120 dB的高动态范围成像，非常适合场景中同时包含非常黑暗和非常明亮区域的挑战性应用。 IMX490 通过其具有双通道输出的亚像素技术来实现高动态，4 次曝光同时进行，从而实现清晰、无失真的成像且没有运动伪影。此外，由于IMX490可同时曝光，与需要更短曝光的传统 HDR 相机相比，相机能够通过更长的曝光时间来减少 LED 频闪。 LUCID 的 Triton 相机具有 24 位 ISP，允许用户访问和微调IMX490传感器提供的所有功能。Triton 5.4MP 相机采用IP67防护等级设计，非常适合户外应用，如高级驾驶辅助系统 (ADAS) 或自动驾驶，以及实时焊接检测等工业应用。