导言

自1980年推出第一台CCD彩色相机后,索尼便改变了世界数字传感器技术产业。2013年索尼再次实现突破,宣布推出全球第一款全局快门CMOS传感器,此230万像素1/1.2”的传感器被命名为Pregius IMX174。索尼首创带有更高帧率的CMOS Pregius传感器与全局快门CCD的高图像质量相结合,成为业界成像性能的黄金标准。

随着第一台Pregius IMX174传感器的成功问世,索尼摆脱了对于传统的CCD依赖,专注于开发更先进的CMOS传感器。很快,他们研发了第二代Pregius传感器包含320万像素的IMX265和500万像素的IMX264。与1/1.2英寸,像素尺寸5.86微米的第一代Pregius传感器相比,第二代传Pregius传感器尺寸更小,像素尺寸仅为3.45微米。更令人印象深刻的是,更小尺寸的传感器可以与价格更低廉的镜头相兼容。 随着索尼在STARVIS系列中积极改进其卷帘快门CMOS技术,全局快门CMOS传感器中性价比最高的非索尼Pregius莫属。

随着不断导入新技术,Sony继续通过提高图像质量、提高帧率和增加功能来不断推陈出新。 Sony专注于消费者体验,让每个新创新都能给客户带来更低的成本和有效的功能。 LUCID产品以索尼的Pregius系列的特点为依托,提升了数字成像的标准,同时始终将无障碍性放在首位。 要了解使用索尼Pregius全球快门CMOS传感器的机器视觉摄像机的优势,我们必须首先了解索尼数字成像技术的基本构件。

Pregius之前:卷帘快门CMOS传感器的工作原理

在索尼推出其Pregius全局快门CMOS传感器之前,他们的CMOS传感器使用卷帘快门技术进行传感器读出。 与CCD相比,CMOS卷帘快门技术可提供经济高效的高质量成像和极高的帧率。 不幸的是,如果目标或相机处于运动状态,捕获的图像以图像摆动、歪曲或绑带的形式显示失真。 这种失真是由于卷帘快门传感器一次暴露和读取像素一行。 下面显示了传统的索尼CMOS卷帘快门管道。

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对于那些不需要高速检查的应用,滚动快门CMOS相机提供了极佳的成本效益解决方案。

适用于慢速检测、生命科学、安全和监视等应用

Sony Conventional Rolling Shutter

以上:常规索尼CMOS滚动快门像素管道。

上图显示了滚动快门索尼CMOS图像传感器的常规像素管道。 光电转换(以量子效率测量)发生在光电二极管中。 然后,电子转换为浮动扩散节点中的电压(电压为电容(C)充电(q))。 然后信号转换为数字信号。 在此阶段,信号也会经过两个相关双采样(CDS)阶段,以减少模拟和数字噪声。 这被称为“双CDS”,是索尼减少随机噪声和固定模式噪声的解决方案。

Rolling shutter readout for cmos sensor

以上:滚动快门读出与列并行A/D转换.

上图是索尼传统滚动快门CMOS传感器如何读出图像数据的简化动画。 每个像素列使用独立的ADC(模数转换器)进行高速读取。 每个像素行都暴露在光线下,并且一次将电荷发送到模拟转换到数字转换。 这是一行按行曝光,在高速运动期间产生图像失真。

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索尼继续改进和生产广泛的CMOS滚动快门传感器。 它们包括下列传感器系列:

• Exmor
• Exmor R
• Exmor RS
• STARVIS

索尼最新的CMOS滚动快门传感器- STARVIS -提供卓越的低光成像灵敏度。

CMOS传感器进化:索尼Pregius全球快门CMOS

为了在索尼的CMOS传感器中实现全球快门技术,索尼创建了一个创新的像素模拟内存节点,位于光电二极管和浮式扩散节点之间。 在Pregius CMOS传感器中,所有光电二极管开始同时曝光。 当光电二极管完成曝光时,电子会流入模拟内存,并释放光电二极管以进行下一次曝光。 此过程允许CMOS全局快门功能。 将电荷转移到模拟内存后,转换过程与滚动快门传感器相同。 其结果是一款全局快门CMOS传感器,可捕捉非失真图像,同时仍使用索尼的双CDS技术来减少随机噪声和固定模式噪声。

Pregius Global Shutter Pixel Pipeline

Sony Pregius Global Shutter Pipeline

以上:索尼Pregius CMOS全球快门像素管道。

电子电荷从光电二极管快速传输到模拟内存。 由于他们在CCD传感器设计方面的经验,索尼能够开发具有极低黑电流的模拟内存。 内存被屏蔽并放置在像素结构的低暗电流区域中,以减少暗电流拍摄噪声。

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对于IMX264和IMX265 CMOS传感器,以保持小于3.45 μm像素尺寸的灵敏度(与以前的Pregius传感器5.86微米像素大小相比)索尼采用了专有的像素冷凝工艺,保持高动态范围和高信号与噪声比。

Sony Pregius Global Shutter sensor uses analog memory

以上:索尼Pregius全球快门读出。

借助模拟内存,光电二极管可以开始曝光并同时读出。 索尼Pregius CMOS传感器不仅提供全球快门成像,而且还通过持续使用模拟和数字CDS降噪技术提供高品质的低噪声成像。 

以下:全球快门对比 滚动快门比较视频

使用全局快门和滚动快门移动图像的视频示例。 在这里你可以看到由滚动快门(右侧)创建的图像失真。 

低噪声:索尼双相关双采样(双CDS)

为了减少噪声,索尼CMOS传感器在A/D转换前后将CDS应用于模拟和数字信号。

在模拟信号中,索尼CMOS传感器在每个浮动扩散节点中使用“重置开关”,以耗尽先前曝光的累积电荷,从而为下一个曝光电荷留出空间。 然而,有些电子不会耗尽,最终仍留在浮动扩散中. 这些电子与下一个曝光电荷结合,增加了信号的噪声。 这种噪音对被称为“固定模式”噪音的图像产生不需要的纹理效果。 固定模式噪声在低光成像中最为明显,但可以使用CDS成功降低。 CDS通过测量前次曝光的剩余电荷来降低噪声,并从以下电荷中减去该电荷(包括左侧噪声和曝光电荷)。

Fixed pattern noise example

以上:30 dB增益时的固定模式噪声(FPN)

Analog Correlated Double Sampling

以上:索尼模拟CDS列并行A/D转换之前。

测量先前电荷留下的噪声,然后从与剩余电荷混合的下一个照射电荷中减去。

Digital Correlated Double Sampling (CDS)

以上:索尼数字CDS后A/D转换

与模拟CDS类似,数字信号读取两次,一次在复位级别,然后在信号级别再次读取。 数字减法过程可消除每个像素列之间的差异,从而减少图像噪声。

更好的成像结果

索尼Pregius传感器利用索尼最新的像素制造技术提供高度敏感的CMOS传感器。 其低光灵敏度以及高动态范围允许用户在充满活力的照明环境中进行映像。 自主车辆、信息交通系统(ITS)或其他户外环境等应用可以受益于Pregius的成像质量。 随着灯光的变化或摄像头进入带有深色阴影和明亮亮亮亮点的复杂场景,Pregius传感器将捕获比传统的CMOS传感器更有用的成像数据,从而使您的视觉系统能够做出更好的决策。 在经典的机器视觉检测应用中,更高的灵敏度可让您缩短曝光时间,加快检查时间,并节省照明成本。

 

第二代Pregius功能对用户的好处
全球快门消除运动造成的图像失真。 可实现高速成像,无需图像摆动、倾斜或光线条纹。
2/3”和1/1.8”传感器格式,像素尺寸为3.45 µm允许相机与更小、更具成本效益的镜头一起使用。
高量子效率 对光的灵敏度更高,有助于低光应用。 您可以在更短的曝光时间或更少的灯光下进行映像。
极低噪声 在低光应用中提供更清晰的成像。 噪音越低,增益/亮度就越高,而不会增加噪音。
高信噪比(SNR)更高的SNR使您的成像更加清晰。 更高的SNR可以减少成像时间。
高动态范围高动态范围允许在同一场景中存在复杂阴影和亮点的富有挑战性的照明环境中进行更好的成像。 更多的细节将被捕捉在黑暗的阴影和更亮的亮点。

摘要

索尼在开拓CCD开发后,将高质量的全球快门技术应用于其革命性的CMOS传感器。 此外,索尼通过电路和像素制造技术,降低了像素尺寸并提高了分辨率,而不会降低灵敏度。 Pregius电流传感器比其前置传感器灵敏度更高,噪声更低。 如今的Pregius传感器能够实现高画质、高分辨率和高速成像,而无需焦平面失真。 这些全球快门传感器与用于降低噪音的CDS技术相结合,为各种要求苛刻的视觉应用提供行业领先的性能。 使用Sony Pregius传感器设计和制造,Lucid相机技术将继续提供基于性能和质量的无与伦比的多功能性。

 

Pregius和Pregius标志是索尼公司的商标。

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