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高品质成像: Sony Pregius CMOS传感器
导言
随着首款Pregius IMX174传感器的成功推出，索尼逐步从传统CCD转向更加先进的CMOS技术研发。随后推出的第二代Pregius传感器包括320万像素的IMX265和500万像素的IMX264。与第一代1/1.2英寸、5.86 µm像素尺寸的Pregius相比，第二代采用更小的2/3英寸光学格式，像素尺寸缩小至3.45 µm。在保持高性能的同时，更小的光学尺寸也可兼容成本更低的镜头系统。随着索尼在STARVIS系列中持续优化卷帘快门CMOS技术，索尼Pregius依然是全局快门CMOS领域中性能与价值兼具的代表。
随着新技术不断引入，Sony持续提升图像质量、提高帧率并扩展功能特性，推动成像技术持续演进。Sony注重技术创新的可用性，使每一代产品在降低成本的同时提供更高性能与更直观的功能体验。LUCID产品基于索尼Pregius系列传感器的技术优势，在保持易用性的同时不断提升数字成像标准。要深入理解采用索尼Pregius全局快门CMOS传感器的机器视觉相机所带来的优势，首先需要了解索尼数字成像技术的基础架构。
Pregius之前：卷帘快门CMOS传感器的工作原理
在索尼发布Pregius全局快门CMOS传感器之前，其CMOS传感器采用卷帘快门方式进行读出。与CCD相比，卷帘快门CMOS技术能够在保持较高图像质量的同时，实现更具成本优势的设计以及更高的帧率。然而，当被测目标或相机本身处于运动状态时，图像会出现抖动、倾斜或条带等失真现象。这种失真源于卷帘快门逐行曝光并逐行读出的工作机制。下图展示了传统索尼卷帘快门CMOS的像素读出结构。
边注
对于对高速检测要求不高的应用场景，卷帘快门CMOS相机是一种具有良好成本效益的解决方案。
适用于低速检测、生命科学、安防监控等应用领域。
以上：传统索尼CMOS卷帘快门像素读出结构。
上图展示了索尼卷帘快门CMOS图像传感器的典型像素读出流程。光电转换（以量子效率衡量）发生在光电二极管中。随后，电子在浮动扩散节点中转换为电压信号（电压=电荷(q)/电容(C)）。该信号随后被转换为数字信号。在此过程中，信号还会经过两级相关双采样（CDS）处理，以降低模拟噪声和数字噪声。这种结构被称为“双重CDS”，是索尼用于抑制随机噪声和固定模式噪声的关键技术之一。
以上：卷帘快门读出与列并行A/D转换结构。
上图为索尼传统卷帘快门CMOS传感器读出图像数据的简化示意图。每一列像素均配备独立的ADC（模数转换器），以实现高速读出。像素按行依次曝光，并逐行将电荷送入模数转换过程。正是这种逐行曝光与逐行读出的机制，在高速运动场景下会导致图像失真。
边注
索尼持续改进并推出多种卷帘快门CMOS传感器产品线，包括：
• Exmor
• Exmor R
• Exmor RS
• STARVIS
索尼最新一代卷帘快门CMOS产品线——STARVIS——具备卓越的低照度成像灵敏度。
CMOS传感器演进：索尼Pregius全局快门CMOS
为了在索尼的CMOS传感器中实现全局快门技术，索尼在像素内部设计了一种创新的模拟存储节点，该节点位于光电二极管与浮动扩散节点之间。在Pregius CMOS传感器中，所有光电二极管可以同时开始曝光。当曝光结束时，电子电荷会被迅速转移至模拟存储节点，从而释放光电二极管以开始下一次曝光。正是这一机制，使CMOS传感器能够实现真正的全局快门功能。电荷转移至模拟存储节点后，其后续转换流程与卷帘快门传感器相同。最终实现的是一种既能捕捉无失真图像，又能持续利用索尼双重CDS技术降低随机噪声和固定模式噪声的全局快门CMOS传感器。
以上：索尼Pregius CMOS全局快门像素结构。
电子电荷会从光电二极管快速转移至模拟存储节点。凭借在CCD传感器设计方面的丰富经验，索尼能够将模拟存储节点设计为具有极低暗电流特性。该存储节点经过屏蔽，并被布置在像素结构中暗电流较低的区域，从而有效降低暗电流散粒噪声。
边注
针对IMX264和IMX265 CMOS传感器，为了在更小的3.45 μm像素尺寸下保持与上一代5.86 μm像素尺寸Pregius传感器相当的灵敏度，索尼采用了专有的像素压缩工艺，在维持高动态范围的同时，实现了较高的信噪比。
以上：索尼Pregius全局快门读出结构。
借助模拟存储节点，光电二极管可以在完成曝光后立即进行读出，同时为下一次曝光做好准备。索尼Pregius CMOS传感器不仅实现了真正的全局快门成像，还通过持续采用模拟与数字双重CDS降噪技术，提供高质量、低噪声的图像输出。
以下：全局快门与卷帘快门对比视频
该视频展示了全局快门与卷帘快门在运动场景下的成像差异。可以清晰看到卷帘快门（右侧）所产生的图像失真现象。
低噪声：索尼双相关双采样（双CDS）
为了降低噪声，索尼CMOS传感器在A/D转换前后分别对模拟信号与数字信号实施相关双采样（CDS）。
在模拟信号阶段，索尼CMOS传感器在每个浮动扩散节点中设置“复位开关”，用于清除前一次曝光所累积的电荷，为下一次曝光提供空间。然而，部分电子无法完全清除，仍会残留在浮动扩散节点中。这些残留电子与下一次曝光产生的电荷叠加，从而增加信号噪声。这类噪声会在图像中形成不期望的纹理效应，称为“固定模式噪声（FPN）”。固定模式噪声在低照度成像条件下尤为明显，但可以通过CDS技术有效抑制。CDS通过测量前一次曝光残留的电荷，并在后续信号读出时进行减法处理，从而消除残余电荷对当前曝光信号的影响。
以上：30 dB增益条件下的固定模式噪声（FPN）
以上：索尼模拟CDS（列并行A/D转换之前）
首先测量前一次曝光残留电荷产生的噪声，然后从与残余电荷叠加的当前曝光电荷中减去该值。
以上：索尼数字CDS（A/D转换之后）
与模拟CDS类似，数字信号同样读取两次：一次为复位电平，一次为信号电平。通过数字减法处理，可消除各像素列之间的差异，从而进一步降低图像噪声。
更优的成像表现
索尼Pregius传感器通过先进的像素制造工艺，实现了高灵敏度CMOS成像性能。其优异的低照度灵敏度与高动态范围，使用户能够在复杂且变化多端的照明环境下获得稳定成像表现。自动驾驶、智能交通系统（ITS）以及各类户外应用，均可从Pregius所提供的高质量图像中获益。
当照明条件发生变化，或相机进入同时存在深阴影与高亮区域的高对比度场景时，Pregius传感器能够捕获比传统CMOS传感器更丰富且更具信息价值的图像数据，从而帮助视觉系统做出更准确的判断。在典型的机器视觉检测应用中，更高的光学灵敏度意味着可以缩短曝光时间、提升检测节拍，并降低对高强度照明系统的依赖，从而有效降低系统整体成本。
| 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
在延续其CCD技术积累的基础上，索尼成功将高质量的全局快门技术引入其革命性的CMOS传感器架构。通过先进的电路设计与像素制造工艺，索尼在缩小像素尺寸、提升分辨率的同时，保持了优异的灵敏度表现。当前一代Pregius传感器相比前代产品，具备更高的灵敏度与更低的噪声水平。
如今的Pregius传感器能够在不产生焦平面失真的前提下，实现高画质、高分辨率与高速成像。这些全局快门传感器结合双重CDS降噪技术，为各类高要求的机器视觉应用提供了行业领先的性能表现。采用Sony Pregius传感器设计与制造的LUCID相机，将持续提供兼具性能与品质的卓越成像解决方案。
Pregius和Pregius标志是索尼公司的商标。