索尼第4代 "Pregius S"：图像传感器的下一次演进？
通过更小的像素尺寸结合背照式（BSI）工艺，索尼在保持成像质量的同时，在紧凑的传感器尺寸内实现了更高分辨率，并将第4代 Pregius 命名为“Pregius S”。但这是否意味着可以忽略此前的各代产品？本文将深入解析各代 Pregius 的技术优势与适用场景，帮助你根据应用需求做出更合理的传感器选型。
早期产品与发展背景
2013 年，索尼发布了首款 Pregius 全局快门 CMOS 传感器：230 万像素 IMX174。在此之前，高分辨率高速读出的全局快门 CCD 长期占据主流；而当时的 CMOS 多为卷帘快门，虽然成本更低、帧率更高，但在成像一致性与运动伪影控制方面存在明显限制。IMX174 的推出改变了这一格局。它在提供全局快门读出的同时，还带来了更高量子效率、更宽动态范围以及更低读出噪声，且在很多场景下可实现高于同等级 CCD 的帧率表现。随着 Pregius 传感器持续迭代，目前已发展至第 4 代，型号与规格更加丰富，为工业视觉应用提供了更灵活的选择空间。
索尼将第 4 代 Pregius CMOS 命名为 “Pregius S”。虽然新一代在关键指标上持续优化，但上一代产品在某些参数组合和应用场景中仍然具备优势。实际选型时，应围绕分辨率、帧率、图像质量（噪声、动态范围、量子效率）以及传感器功能特性来综合判断，选择最匹配应用目标的一代产品。
索尼第4代 "Pregius S"：背照式（BSI）全局快门
在第 4 代 “Pregius S” 图像传感器中，索尼首次将背照式（BSI）像素结构与全局快门读出结合在同一器件上。尽管 Pregius S 的像素尺寸在四代产品中最小（2.74 μm），它仍能维持接近以往代际的图像质量表现，其中关键原因之一就是 BSI 像素结构提升了光电转换效率并改善了入射光利用率。
更大的入射角余量 = 更高的有效感光度
即使像素更小，第 4 代 Pregius S 仍可保持相近的灵敏度，其中一个原因是对低入射角光线的响应显著改善。举例来说，在 +/-20° 入射角条件下，第 2 代传感器只有约 10% 的光线能够有效到达像素，而第 4 代可提升到约 40%。这是因为第 4 代传感器的微透镜与光电二极管表面之间的距离更短，从而降低了遮挡与损耗、提升了斜入射光的耦合效率。
分辨率：高速版本与标准版本
第 1 代 Pregius 仅提供一个分辨率选项：1936 × 1216（230 万像素）。但在同一分辨率下，索尼提供了两种帧率配置：高速版与标准版。高速 IMX174 最高可达 166 FPS，而标准版 IMX249 的最大帧率约为 41 FPS。标准版本通常通过对 ADC（模数转换器）、像素合并（binning）以及 ROI 等能力做出取舍来降低成本，同时尽可能保持与高速版本相近的成像质量指标。随着后续多代产品的扩展，索尼也延续了“高速/标准”并行的产品策略。
下方列表与图表展示了 Pregius 在百万像素与帧率维度上的整体产品规划。每一代都覆盖不同分辨率与帧率组合。尽管不同代际之间存在部分功能与规格重叠，但理解各代像素技术路线与设计取舍，有助于解释“参数相近但代际不同”的原因，并进一步指导选型。
Generation 1
| 高速 | 标准速度 |
|---|---|
| IMX174 (2.3MP @ 166 FPS) | IMX249 (2.3MP @ 41 FPS) |
*注：这些图表中的最大帧率来自索尼的传感器规格上限。多数高速版本的最大帧率基于 8-bit 模式；标准版本的最大帧率通常基于 10-bit 或 12-bit 模式。实际帧率会受位深、相机实现方式、接口带宽以及主机连接相机数量等因素影响。
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
鼠标在散点上悬停可获取传感器详情
平衡点：像素尺寸与图像质量
各代产品的差异在很大程度上来自像素尺寸与像素结构设计。不同代际采用不同像素尺寸：第 1 代为 5.86 μm；第 2 代为 3.45 μm；第 3 代为 4.5 μm；第 4 代为 2.74 μm。像素尺寸不仅决定在给定靶面尺寸内可容纳的像素数量，也会显著影响饱和容量、随机读出噪声、动态范围以及量子效率等关键成像指标。
一般而言，像素越大，饱和容量更高、暗噪声也可能更高。以平均值为例，第 1 代传感器饱和容量可达约 33000 e-，但对应的时间暗噪声也较高（约 7 e-）。第 4 代传感器像素最小，饱和容量平均约 9500 e-，同时时间暗噪声也更低（约 2.1 e-）。这种“饱和容量与噪声”的配比，使 Pregius 系列即便在像素尺寸差异较大时，仍能在多代产品间维持约 70 dB 左右的动态范围水平。
比较平均 EMVA 1288 结果与像素尺寸
鼠标在散点上悬停可获取传感器详情
| 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 |
对比四代产品的平均量子效率（QE）曲线，可以看到各代之间的差异并非简单的“代际越新越强”。第 1 代 Pregius 的峰值 QE 多出现在 480–540 nm 范围。第 2 代的峰值 QE 相对更低，而第 3 代将峰值 QE 拉回到接近第 1 代的水平，并在全波段效率上有明显提升，同时在近红外（约 700–900 nm）区域表现最佳。第 4 代的峰值 QE 与第 1 代接近，但整体曲线更像是介于第 1 与第 3 代之间的折中。QE 图表直观体现了：不同代际的效率曲线各有侧重，后续代际并不一定在所有波段上都实现“全面提升”。
各代产品的平均量子效率
鼠标在散点上悬停可获取传感器详情
注：QE 对比图的结果以带盖板玻璃的工业相机样机在 EMVA 1288 测试条件下获得的数据为基准。
传感器尺寸与片幅
小像素的一项核心优势是：在固定靶面尺寸内可以集成更多像素，从而在不增大传感器尺寸的前提下获得更高分辨率。这也有助于工业相机实现更紧凑的体积，并可搭配更小型的光学系统，例如 C 口、NF 口或 S 口等镜头座。以 1.1″ 规格为例，随着像素尺寸减小，该规格可实现的最大百万像素数显著提升：第 3 代（4.5 μm）约 7.1 MP，第 2 代（3.45 μm）约 12.3 MP，第 4 代（2.74 μm）可达约 20 MP。
对部分应用而言，在升级到同尺寸但更高像素的相机时，可能仍可沿用原有镜头与光学系统；但在另一些情况下，更换到不同尺寸规格的传感器则可能意味着需要对镜头与光学硬件进行整体调整或替换。
下图展示了 Pregius 各型号在“百万像素—传感器规格”之间的对应关系。总体来看，相比前几代，第 4 代在多个规格上提供了更高的像素密度。
Pregius 传感器尺寸 VS 百万像素
鼠标在散点上悬停可获取传感器详情
| Gen 1 | Gen 2 | Gen 3 | Gen 4 |
|---|
Pregius 各代产品在传感器片幅（长宽比）方面差异明显，每一代都覆盖多种比例。最常见的片幅为 4:3，可形成更接近“标准画幅”的横向视野（宽度约比高度多 33%）。第 2 代提供的片幅种类最多（1:1、5:4、4:3、16:10、16:9、17:9 等），而第 4 代的片幅类型相对更精简（1:1、5:4、4:3、16:9）。总体而言，Pregius 系列覆盖从方形到宽屏的多种片幅，为不同工业视觉应用提供灵活的视场与分辨率布局选择。
| 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：持续迭代与能力扩展
自第 1 代以来，索尼持续引入多项面向工业应用的传感器级功能，其中不少功能可直接提升系统实现效率或拓展成像模式。例如：具备传感器内置组合的 HDR（高动态范围）能力、双 ADC（模数转换器）读出架构、极短的快门间隔（可低至约 2 μs）、以及第 4 代引入的曝光时间监测等。索尼的目标是提供更丰富的成像模式，同时优化既有功能的效率与可用性。
以 Self Trigger（自触发，第 3 代）为例，用户可通过检测指定 ROI 内的变化来触发相机采集，这类能力在某些应用中可减少外部触发硬件或额外软件的依赖。再如第 4 代的 On-Sensor Combination（传感器内组合）双 ADC，是“功能下沉到传感器端”的典型例子。第 3 代已支持双 ADC，但 HDR 合成通常需要在相机 ISP 或主机端完成；而将合成过程放到传感器端，可降低主机与系统资源占用，并简化 HDR 流程与系统架构。
需要注意的是，下方列出的功能通常为“可选实现项”，是否在最终相机产品中开放，取决于相机厂商的实现策略与固件支持情况。LUCID 将通过持续的固件更新逐步导入并支持这些高价值功能，帮助用户更高效地发挥传感器潜力。
| 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 |
让 Pregius 性能发挥到最大
相机厂商在实现高成像质量方面扮演关键角色。相机在设计与制造阶段的工程决策，会显著影响传感器能力的最终释放程度。以下要点有助于终端用户从系统角度理解并发挥传感器的性能上限。
主动式传感器校准与质量控制
第 4 代 Pregius 通过减小像素尺寸并在多种规格上扩展分辨率，这使得传感器对装调精度的敏感度更高。传感器后焦距离（BFD）、镜筒旋转与倾斜等装配偏差，都会对 MTF 与边缘清晰度产生负面影响，尤其在大靶面、高像素密度条件下更为明显。
为确保每颗传感器在相机内部处于最优位置，LUCID 在传感器装配阶段采用主动式对准（Active Alignment）工艺：在传感器实时输出图像的同时进行位置测量与调整。该系统使用六自由度（6-DoF）夹具，并在传感器上叠加结构光图案，通过测量图案畸变来评估倾斜、旋转与深度偏差，并实时补偿，达到最佳锐度与一致性。
此外，LUCID 相机还会进行包括盖板玻璃灰尘颗粒、热像素、暗像素与缺陷像素等项目的质量检测。主动对准结合像素与洁净度检查，可显著提升批量产品的一致性与长期成像稳定性。
左：传感器上叠加结构光图案。任何倾斜、旋转或深度不一致都会导致图案畸变。
右：通过 6-DoF 系统移动并微调传感器位置，测量并补偿畸变，使传感器实时对准到正确位置，从而获得最佳成像一致性。
帧率与接口带宽
传感器的最高帧率不仅取决于传感器本身的读出能力，也与相机接口带宽与数据路径实现密切相关。为满足 Pregius S 的高速读出需求，LUCID 的 Atlas10 采用 10 GigE 接口，并兼容 NBASE-T，可根据网络条件降速至 5/2.5/1 GigE。基于 2450 万像素 Pregius S IMX530 的 Atlas10 型号计划于 2020 年第二季度推出，后续还将陆续扩展更多传感器型号与规格选项。
10 GigE 是兼顾成本与带宽的工业接口方案，可通过双绞线铜缆提供高吞吐的数据传输能力。
高度通用的传感器平台
Pregius 系列覆盖多种传感器规格与性能组合，可满足广泛的工业成像需求。跨越四代产品，累计约 38 款传感器面向工业视觉应用，涵盖 2 种帧率版本（高速/标准）、4 种像素尺寸、12 种传感器尺寸规格、7 种片幅比例，分辨率范围从 40 万到 3140 万像素。
若应用更侧重高满阱容量与更高信噪比裕量，第 1 代与第 3 代（较大像素）往往更具优势；若追求最丰富的分辨率与片幅组合，第 2 代覆盖面更广；若目标是在更紧凑的尺寸内获得更高分辨率，第 4 代 Pregius S 通过 2.74 μm BSI 像素在提升像素密度的同时，尽可能保持整体感光能力。
无论选择哪一代传感器，系统级成像质量都离不开高质量的光学与照明，以及严谨的相机制造工艺。通过主动式传感器校准与完善的质量控制，可最大化释放传感器潜力并获得稳定一致的成像表现。