索尼 IMX490 CMOS：24 位 HDR 图像传感器

索尼 5.4 MP IMX490 CMOS 图像传感器基于亚像素架构，在传感器端实现 HDR 成像与 LED 频闪抑制。相较于传统 HDR 方案，该技术可在运动场景下输出无运动伪影的 HDR 图像。本技术简报将解析其实现原理。

介绍

为集成更多片上功能并提升低照度灵敏度，图像传感器持续演进。同时，应用工程师也面临将相机与传感器性能发挥到极限的系统设计压力，往往需要在主机端增加图像后处理来满足应用需求。针对高对比度场景（例如户外汽车视觉）的一项典型后处理就是高动态范围（HDR）合成。随着索尼 IMX490 CMOS 传感器的推出，HDR 合成被下沉到传感器内部实现，使视觉工程师能够简化 HDR 成像链路，同时还可结合 LUCID 相机的 24 位图像处理通道，进一步优化显示与调校。

高动态范围：传统方式

HDR 成像通常需要采集多张具有不同曝光时间的图像，并在后端将其融合为一张图像。不同曝光设置可在高光与暗部区域获得更完整的有效信息。例如，长曝光有利于暗部细节，但可能牺牲高光信息；短曝光可保留高光细节，但在暗部可能几乎无法获得可用数据。最终融合结果会从各次曝光中择优取值，得到一张 HDR 图像。

上图：传统 HDR 将多幅不同曝光时间的图像按序采集，并在主机端进行融合，生成一张 HDR 图像。

边注

传统 HDR 也可借助相机的序列器（Sequencer）实现。序列器允许对相机进行编程，按顺序采集多张图像。每张图像可设置不同的参数，包括分辨率、增益、曝光等，然后在主机端对这些图像进行处理与融合。

传统 HDR：不适合运动拍摄

传统 HDR 非常适合静态场景，但在高速运动场景（例如汽车应用）中容易产生运动伪影。当场景内目标在不同曝光之间发生位移时，由于各次曝光采集时间不同，后端融合得到的 HDR 图像可能出现形变或扭曲。

上图：传统 HDR 依赖曝光序列，在运动场景中并不理想。由于各次曝光采集存在时间差，融合结果容易出现运动伪影。

最终 HDR 结果，运动伪影：

融合后的 HDR 图像出现明显运动伪影，汽车与建筑边缘形变尤为突出。

IMX490：同时曝光

与传统 HDR 不同，索尼 IMX490 CMOS 传感器可在同一时刻完成采集，实现无时间间隔的 HDR 成像。这得益于传感器的亚像素设计（也称分割像素结构），同一像素单元内包含大亚像素与小亚像素，不同尺寸对应不同灵敏度与饱和容量。此外，每个亚像素还会以高转换增益与低转换增益两路方式读出，使每个像素在一次采集中得到四路 12 位数据。四路数据在传感器内部进行线性组合，输出单一的 24 位 HDR 值。注意：虽然可在大亚像素与小亚像素之间设置不同曝光时间，但通常建议保持一致，以获得更稳定的成像一致性。

上图：IMX490 采用两种不同尺寸的亚像素（一大一小），且每个亚像素支持两路读出（高转换增益与低转换增益），因此可在单次采集中获得四路同步数据。

上图：四路通道数据在传感器内部完成线性组合，输出一张 24 位 HDR 图像。

IMX490：频闪抑制

IMX490 的另一项优势是对 LED 频闪具有更好的抑制能力。许多传统 HDR 相机为了在明亮区域获取低灵敏度通道数据，需要采用非常短的曝光时间以避免光电二极管过饱和。短曝光可能短到足以采样到 LED 供电引起的亮度波动，从而在图像中表现为频闪条纹。IMX490 由于采用亚像素设计，不必依赖极短曝光来覆盖明亮区域。针对高亮区域的低灵敏度亚像素可在更长曝光下工作，通过时间平均效应有效减轻频闪影响。

上图：极短曝光可能捕捉到 30、50 或 60 Hz 交流供电 LED 的亮度波动。IMX490 的低灵敏度亚像素可在更长曝光下工作，通过平均效应减轻频闪。

工作原理：像素结构

IMX490 的像素结构在提升整体灵敏度的同时兼顾低噪声设计。它是一款背照式（BSI）传感器，金属布线层位于光电二极管下方，使更多入射光能够到达光电二极管且不被电路遮挡，从而提升感光效率。每个亚像素还采用不同尺寸的微透镜，以更高效率将光聚焦到对应光电二极管。通过光屏蔽结构与深沟槽隔离（Deep Trench Isolation），可降低两个亚像素之间的光学串扰与电荷泄漏。综合这些设计，IMX490 可实现高量子效率、超过 120 dB 的动态范围，以及 120000 e- 的饱和容量。

上图：放大后的传感器示意，可看到两种不同尺寸的亚像素结构。

两个亚像素的特写视图（模拟图像）

像素结构的截面示意。IMX490 为背照式 CMOS 传感器。

交互式曲线图：将鼠标悬停在曲线点位上，可查看量子效率（QE）百分比。

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 是机器视觉传感器与相机规格参数的测量与呈现标准。有关 EMVA 1288 标准的更多信息，请访问 http://www.emva.org/standards-technology/emva-1288/

如前所述，IMX490 通过同一像素单元内两种亚像素实现高动态范围，这些亚像素在灵敏度与饱和容量方面各不相同。每个亚像素又以高转换增益与低转换增益两路读出，为每个像素提供四个 12 位通道。四个通道在传感器内部线性组合为一个 24 位 HDR 值。需要注意的是，EMVA 1288 标准适用于单通道数据的测量与呈现，不直接适用于已组合的 24 位数据。因此，本页面的结果以各通道为单位进行测量，并在必要时进行缩放，以反映这些通道如何组合生成 24 位 HDR 图像。

像素电位截面和驱动时序

IMX490 的独特设计在亚像素 1（SP1）与亚像素 2（SP2）中采用多个浮动扩散结点（Floating Diffusion）。在同时曝光完成后，SP1 与 SP2 的信号按顺序串行输出。下方动画展示了像素电位在各阶段的变化，以及对应的像素驱动时序。

阶段：

8) SP1 与 SP2 的电荷复位。
1) 曝光：SP1 与 SP2 同步曝光。

SP1 读出：
2) 采样 SP1 的复位电平，分别对应低转换增益与高转换增益。
3) 采样 SP1 的高转换增益信号。
4) 采样 SP1 的低转换增益信号。
* SP1 的复位与信号电平均被采样，因此可执行相关双采样（CDS）以降低噪声。

SP2 读出：
5) 采样 SP2 的高转换增益信号。
6) 采样 SP2 的低转换增益信号。
7) 采样 SP2 的复位电平。
* SP2 的复位电平采样发生在信号采样之后，因此无法执行 CDS。SP2 采用增量复位采样（Incremental Reset Sampling）以抑制噪声。
8) SP1 与 SP2 的电荷复位。

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

该文章介绍了 TRI054S-CC 的功能与选项，包括 HDR 调整、图像增强、数字钳位等。同时还包含位深显示设置、LUT 调整，以及色调映射 Gamma 切换的操作说明。

总结

将索尼 IMX490 与 LUCID Triton IP67 相机结合，可实现高达 120 dB 的高动态范围成像，适用于同时包含极暗与极亮区域的高对比度场景。IMX490 通过双亚像素加双转换增益读出，在同一时刻完成采集并在传感器内部输出 24 位线性 HDR 值，因此可获得清晰、无失真的图像并有效避免运动伪影。此外，IMX490 能在更长曝光下覆盖明亮区域，相比依赖短曝光的传统 HDR 方案，可进一步减轻 LED 频闪。LUCID Triton 相机内置 24 位 ISP，便于用户访问并精细调校 IMX490 的相关功能。Triton 5.4MP 相机采用 IP67 防护设计，适用于户外应用，例如高级驾驶辅助系统（ADAS）、自动驾驶，以及实时焊接检测等工业场景。