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圖像傳感器選擇標(biāo)準(zhǔn)多?成像性能必須排第一

發(fā)布時(shí)間:2025-03-16 來(lái)源:安森美 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】當(dāng)涉及到技術(shù)創(chuàng)新時(shí),圖像傳感器的選擇是設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)各種設(shè)備過(guò)程中一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié),這些設(shè)備包括專業(yè)或家庭安防系統(tǒng)、機(jī)器人、條形碼掃描儀、工廠自動(dòng)化、設(shè)備檢測(cè)、汽車等。選擇最合適的圖像傳感器需要對(duì)眾多標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)雜的評(píng)估,每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)影響最終產(chǎn)品的性能和功能。從光學(xué)格式和、動(dòng)態(tài)范圍到色彩濾波陣列(CFA)、像素類型、功耗和特性集成,這些標(biāo)準(zhǔn)的考慮因素多種多樣,錯(cuò)綜復(fù)雜。


當(dāng)涉及到技術(shù)創(chuàng)新時(shí),圖像傳感器的選擇是設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)各種設(shè)備過(guò)程中一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié),這些設(shè)備包括專業(yè)或家庭安防系統(tǒng)、機(jī)器人、條形碼掃描儀、工廠自動(dòng)化、設(shè)備檢測(cè)、汽車等。選擇最合適的圖像傳感器需要對(duì)眾多標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)雜的評(píng)估,每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)影響最終產(chǎn)品的性能和功能。從光學(xué)格式和、動(dòng)態(tài)范圍到色彩濾波陣列(CFA)、像素類型、功耗和特性集成,這些標(biāo)準(zhǔn)的考慮因素多種多樣,錯(cuò)綜復(fù)雜。


在各類半導(dǎo)體器件中,圖像傳感器可以說(shuō)是最復(fù)雜的。這些傳感器將光子轉(zhuǎn)換為電信號(hào),通過(guò)一系列微透鏡、CFA、像素和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)產(chǎn)生數(shù)字輸出。數(shù)字化后的信號(hào)將進(jìn)行合并、縮放、裁剪、存儲(chǔ),并在傳感器內(nèi)部用于高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)處理。


此外,這些傳感器還嵌入了復(fù)雜的功能,如功能安全、網(wǎng)絡(luò)安全、輸出格式化和各種類型的基本圖像處理。許多高分辨率和高幀率的需求促使輸出信號(hào)以數(shù)千兆比特的速度通過(guò)各種類型的接口傳輸。此外,為了優(yōu)化數(shù)字處理過(guò)程,大多數(shù)現(xiàn)代圖像傳感器都采用混合鍵合的堆疊晶片結(jié)構(gòu),頂層晶片包含像素和周邊電路,而底層晶片則針對(duì)前面討論的其他數(shù)字邏輯進(jìn)行了優(yōu)化。


圖像傳感器選擇標(biāo)準(zhǔn)多?成像性能必須排第一


圖 1. 混合鍵合 CMOS 圖像傳感器的層和橫截面圖


這些圖像傳感器不僅本身非常復(fù)雜,而且在為眾多設(shè)備和應(yīng)用選擇合適的傳感器時(shí)也是如此。要成功設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)任何需要圖像傳感器的設(shè)備,了解選擇標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性和細(xì)微差別至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員需要從眾多參數(shù)中進(jìn)行選擇,例如分辨率、像素大小、像素類型、幀率、快門類型、光學(xué)格式、功能特性等等,這讓許多人不禁要問(wèn):“我該從何入手呢?”


圖 2. 設(shè)計(jì)人員必須做出的多種選擇示例



安森美(onsemi)最新的白皮書對(duì)圖像傳感器的選擇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了全面分析,并就如何駕馭各種特性和功能提供了深入見(jiàn)解。本文探討影響圖像傳感器選擇的各種因素,旨在幫助工程師和設(shè)計(jì)人員做出更明智的決策,從而優(yōu)化性能、效率和整體設(shè)計(jì)。


我們將選擇標(biāo)準(zhǔn)分為三大類:

  • 成像性能

  • 產(chǎn)品/系統(tǒng)參數(shù)

  • 工具和其他標(biāo)準(zhǔn)


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圖 3. 三類標(biāo)準(zhǔn)及其子類


本文將詳細(xì)介紹成像性能。


成像性能

選擇圖像傳感器的首要考慮因素是成像性能。成像始于圖像傳感器可捕捉的實(shí)際光譜范圍。如下圖所示,圖中的粉紅色線條表示圖像傳感器的硅光電二極管對(duì)電磁光譜中人眼無(wú)法看到的其他波長(zhǎng)的敏感性。這些波長(zhǎng)包括波長(zhǎng)較短的紫外線(UV)和波長(zhǎng)較長(zhǎng)的近紅外線(NIR)。大多數(shù)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器的檢測(cè)范圍在350納米到1000納米之間。不過(guò),某些技術(shù)也可以對(duì)短波紅外(SWIR)成像,而有些技術(shù)則可以進(jìn)一步延伸到紫外線范圍。


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圖 4. 電磁頻譜--人眼與硅傳感器的對(duì)比


圖像傳感器所采用的技術(shù)在決定其成像性能方面也起著至關(guān)重要的作用。CMOS 圖像傳感器最初使用的是前照式(frontside illumination,F(xiàn)SI)技術(shù),由于在光學(xué)堆疊層和像素之間存在金屬層,該技術(shù)在優(yōu)化捕捉光線方面存在挑戰(zhàn)。然而,隨著背照式(backside?illuminated,BSI)技術(shù)的引入,即把像素移到晶片底部,光線可以直接進(jìn)入像素,沒(méi)有任何中間層,從而進(jìn)一步提高了性能。


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圖 5. CMOS 圖像傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)


在背照式技術(shù)趨勢(shì)之后,又出現(xiàn)了背照式混合鍵合晶片堆疊技術(shù)(backside?illuminated hybrid bonded wafer?stacking technology),為數(shù)字邏輯提供了最優(yōu)化的技術(shù),同時(shí)縮小了傳感器的整體尺寸。單片式圖像傳感器將光敏像素陣列和周圍的數(shù)字邏輯集成在一個(gè)晶片上。 


因此,這些器件的尺寸會(huì)隨著數(shù)字功能的增加而增大,同時(shí)像素陣列和數(shù)字邏輯的工藝技術(shù)相同,導(dǎo)致效率低下。背照式晶片堆疊技術(shù)是將晶片層層堆疊并鍵合在一起,解決了這一問(wèn)題。頂部晶片包含像素和周邊電路。底部晶片包含電路和其他支持功能,從而實(shí)現(xiàn)了尺寸和技術(shù)的優(yōu)化。


光學(xué)格式

光學(xué)格式(Optical Format)是選擇圖像傳感器時(shí)必須考慮的因素,它指的是傳感器的物理尺寸,是一個(gè)假設(shè)的測(cè)量值,比傳感器的實(shí)際對(duì)角線尺寸大50%。最常見(jiàn)的光學(xué)格式包括1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸和1/4英寸。


圖像傳感器的光學(xué)格式?jīng)Q定了可以容納的像素?cái)?shù)量與大小,從而影響其成像性能、分辨率以及捕捉和準(zhǔn)確再現(xiàn)細(xì)節(jié)的能力。傳感器及其光學(xué)格式越大,能夠捕捉的光線就越多,這進(jìn)而引出了一個(gè)艱難的權(quán)衡:像素?cái)?shù)量(分辨率)與像素大?。ㄝ^大的像素可以捕捉更多的光線)。理想情況下,我們希望同時(shí)擁有更高的分辨率和更大的像素,但傳感器越大,設(shè)備的成本和體積也就越大。


在光學(xué)格式、成本和期望的成像性能之間找到適當(dāng)?shù)钠胶馐且粋€(gè)難題。例如,在不同的光學(xué)格式下保持相同的分辨率會(huì)導(dǎo)致不同的像素大小。此外,在相同的光學(xué)格式下使用不同XXXZDFCBJ'


像素大小會(huì)導(dǎo)致不同的分辨率。因此,選擇正確的光學(xué)格式需要權(quán)衡利弊,并仔細(xì)考慮其他選擇標(biāo)準(zhǔn)。


像素技術(shù)是圖像傳感器的核心,也是不斷改進(jìn)的關(guān)鍵。我們的目標(biāo)是生產(chǎn)出更小但更高效的設(shè)備,使其具有與大型設(shè)備中的大型傳感器相同的性能。在不斷創(chuàng)新以提高像素性能的同時(shí),這些權(quán)衡也始終存在。


弱光靈敏度

圖像傳感器的一個(gè)重要選擇標(biāo)準(zhǔn)是弱光靈敏度。弱光靈敏度是指圖像傳感器即使在弱光或黑暗條件下也能拍攝清晰、高質(zhì)量圖像的能力。 雖然影響弱光靈敏度的因素很多,但它主要由像素大小決定。


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圖 6. 弱光重要性-1 Lux 圖像示例


圖 6 顯示,與較大的像素(右圖)相比,較小的像素(左圖)捕捉光線的表面積較小。因此,大像素可以捕捉更多的光子,在弱光條件下生成更清晰的圖像。不過(guò),如前所述,較大的像素也會(huì)占用更多空間,而且生產(chǎn)成本較高。因此,如何在像素尺寸、弱光靈敏度、成本和其他選擇標(biāo)準(zhǔn)之間找到平衡點(diǎn)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。


動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是選擇圖像傳感器的另一個(gè)重要方面,指的是圖像傳感器在單張圖像中準(zhǔn)確有效地捕捉各種亮度水平的能力。這一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于拍攝高對(duì)比度場(chǎng)景(如天空明亮但背景陰暗的風(fēng)景)非常重要。  當(dāng)然,室內(nèi)場(chǎng)景中也會(huì)有明亮光線和黑暗區(qū)域的情況,但室外條件通常更為苛刻。


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圖 7. 帶 HDR 和不帶 HDR 功能的傳感器示例


具有高動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器可以在黑暗或弱光區(qū)域以及明亮或強(qiáng)光區(qū)域捕捉到更多的細(xì)節(jié),從而獲得更好的整體圖像質(zhì)量。圖 7 顯示了線性(非 HDR)圖像傳感器(左圖)與 HDR(高動(dòng)態(tài)范圍)圖像傳感器(右圖)相比,前者生成的圖像模糊、對(duì)比度低,而后者則更清晰。雖然 HDR 圖像不適用于不需要它的應(yīng)用場(chǎng)景,但在成像應(yīng)用中,擁有 HDR 選項(xiàng)正變得越來(lái)越重要。


HDR 成像有三種基本解決方案:

1.空間域:使用 "大小像素 "式結(jié)構(gòu),即一個(gè)像素包含兩個(gè)子像素,大像素捕捉暗部,小像素捕捉亮部。

2.時(shí)域:改變信號(hào)積分的時(shí)間,以不同的曝光周期捕捉多幅圖像,通常稱為 "多重曝光"。

3.增益/電容:增加光電二極管的電荷容量或使用多個(gè)信號(hào)積分周期


每種解決方案都各有利弊:

  • 空間(大小像素): 因?yàn)閳D像是同時(shí)拍攝的,從而減少了運(yùn)動(dòng)偽影,但其缺點(diǎn)包括降低了弱光下量子效率 (QE)、色彩偽影以及像素尺寸之間的固定比率。

  • 時(shí)域(多重曝光): 這種方法是使用單個(gè)光電二極管捕捉不同的曝光(弱光、中等亮度和強(qiáng)光),然后將它們組合以創(chuàng)建最終的HDR圖像。但是,由于圖像拍攝的時(shí)間點(diǎn)不同,可能會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偽影和 LED(發(fā)光二極管)閃爍的問(wèn)題。

  • 增益/電容(超級(jí)曝光): 這種方法通過(guò)在像素旁邊添加電容來(lái)增加像素的線性滿阱容量,從而存儲(chǔ)更多電荷并擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍。這樣可以延長(zhǎng)像素的曝光時(shí)間,而不會(huì)出現(xiàn)過(guò)飽和現(xiàn)象,同時(shí)還能考慮到不同的 LED 占空比和頻率。


目前 HDR 成像的趨勢(shì)是使用超級(jí)曝光技術(shù),但多重曝光方法仍然是最流行的技術(shù)。然而,每種技術(shù)都有其最適合的特定應(yīng)用場(chǎng)景。


運(yùn)動(dòng)

運(yùn)動(dòng)是影響圖像傳感器性能和選擇的另一個(gè)因素,指的是圖像傳感器拍攝運(yùn)動(dòng)物體時(shí)不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)模糊或失真的能力。較高的幀率(以每秒幀數(shù)或fps衡量)能更好地拍攝運(yùn)動(dòng)物體。此外,不同類型的傳感器處理運(yùn)動(dòng)的方式也有所不同。



兩種主要的圖像傳感器結(jié)構(gòu)類型是:

1.卷簾快門(Rolling Shutter):在這種類型中,像素逐行曝光并讀取,這一過(guò)程會(huì)沿著像素陣列逐行進(jìn)行。由于每一行的曝光時(shí)間不同,因此在拍攝快速移動(dòng)的物體時(shí)可能會(huì)造成運(yùn)動(dòng)偽影或失真。

2.全局快門(Global Shutter):這種類型可同時(shí)捕捉所有像素的曝光,消除了時(shí)間延遲,從而獲得更準(zhǔn)確且無(wú)失真的圖像。不過(guò),使用全局快門傳感器時(shí),靈敏度、QE 和 HDR 性能可能會(huì)成為潛在的權(quán)衡因素。


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圖 8. 拍攝快速移動(dòng)物體時(shí)的卷簾快門與全局快門對(duì)比


快速運(yùn)動(dòng)是使用全局快門傳感器的一種情況,但還有其他場(chǎng)景也適用。通常,最佳選擇是配合“主動(dòng)照明”技術(shù);這基本上是指近紅外發(fā)光二極管(NIR LED)或垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Service Emitting Lasers,VCSEL),它們的脈沖周期很短,可用于確定性地控制照明。這些技術(shù)可以在幾乎沒(méi)有環(huán)境光的情況下使用。人眼無(wú)法感知NIR LED的光,只能感知可見(jiàn)光范圍LED的光。


盡管由于波長(zhǎng)的原因,人眼無(wú)法感知NIR LED,但眼睛仍可能受到其傷害。因此,如果NIR光沒(méi)有以適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和周期發(fā)射,就有可能使毫無(wú)防備的人失明。此外,降低NIR LED的占空比還可以減少功耗。由于這些NIR LED的開(kāi)啟時(shí)間非常短(有時(shí)僅為微秒級(jí)別),因此必須在這段時(shí)間內(nèi)捕捉整個(gè)傳感器陣列的數(shù)據(jù)。


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圖 9. 提高全局快門效率(GSE)


全局快門的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是存儲(chǔ)元件(ME)會(huì)吸收光線,這會(huì)導(dǎo)致雜光靈敏度(PLS)問(wèn)題。存儲(chǔ)元件吸收的雜光越多,PLS 就越高。全局快門效率(GSE)是一個(gè)指標(biāo),用于衡量存儲(chǔ)元件中的信號(hào)電荷受到雜光影響的程度。圖9顯示,較差的GSE會(huì)導(dǎo)致PLS升高和運(yùn)動(dòng)問(wèn)題,而良好的GSE則會(huì)帶來(lái)更好的運(yùn)動(dòng)性能。


關(guān)于近紅外(NIR)照明,并參考圖4,CMOS圖像傳感器在這些波長(zhǎng)下的量子效率 (QE)較低,也增加了主動(dòng)照明應(yīng)用的復(fù)雜性。要使全局快門具有更好的NIR響應(yīng),一種解決方案是在光電二極管下方加厚外延層 (EPI)。更厚的EPI可以捕獲更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光,并由光電二極管接收。然而,更厚的EPI可能會(huì)引入雜光進(jìn)入相鄰像素的風(fēng)險(xiǎn),從而降低調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF),即圖像清晰度。


因此,為了達(dá)到最佳系統(tǒng)性能,必須在NIR響應(yīng)和調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)之間找到適當(dāng)?shù)钠胶?。每個(gè)系統(tǒng)的需求不同,有些可能需要更強(qiáng)的信號(hào)(更高的NIR量子效率),而另一些可能需要更好的MTF(清晰度)。關(guān)鍵在于找到一種方法,使光線能夠到達(dá)合適的光電二極管,同時(shí)提高NIR靈敏度而不降低MTF,如下圖所示。這對(duì)于傳感器廠商來(lái)說(shuō)是一個(gè)復(fù)雜的選擇,并且會(huì)因應(yīng)用而異。


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圖 10. 改進(jìn)工藝以提高NIR響應(yīng)和保持 MTF


其他影響成像效果的技術(shù)趨勢(shì)和考慮因素

除了已經(jīng)討論過(guò)的內(nèi)容外,在確定傳感器的成像性能時(shí),還有其他技術(shù)趨勢(shì)和考慮因素需要權(quán)衡。


成像深度


在機(jī)器視覺(jué)、AR/VR、駕駛員監(jiān)控等各種應(yīng)用中,深度變得越來(lái)越重要。實(shí)現(xiàn)深度的一種方法是通過(guò)間接飛行時(shí)間(iToF)傳感器,這種傳感器通過(guò)測(cè)量光的不同相位以及光從傳感器傳播到反射回來(lái)的時(shí)間來(lái)確定距離。另一種方法是通過(guò)安裝立體攝像頭,使用多個(gè)視差攝像頭從略微不同的角度和更遠(yuǎn)的距離拍攝和比較圖像,從而計(jì)算深度。


幀率


雖然幀率會(huì)根據(jù)應(yīng)用的不同而有所波動(dòng),但在涉及快速移動(dòng)物體的應(yīng)用中,對(duì)更高幀率的需求日益增長(zhǎng)。更高的幀率能夠?qū)崿F(xiàn)更好的運(yùn)動(dòng)捕捉效果,并減少運(yùn)動(dòng)模糊,這使得它在機(jī)器視覺(jué)、掃描以及其他專業(yè)成像應(yīng)用中顯得尤為重要。提高幀率還可以抵消運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的影響,并減少對(duì)全局快門的需求。

溫度性能


圖像傳感器對(duì)溫度極為敏感,因此必須考慮其在不同曝光和條件下的性能。溫度過(guò)高或過(guò)低以及在較高占空比下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行都會(huì)影響傳感器的性能。因此,了解溫度性能及其如何影響所需應(yīng)用的成像能力至關(guān)重要。


色彩濾波陣列(Color Filter Array,CFA)


傳感器的CFA是一種用于解析(或不解析)圖像色彩的濾光片,在決定圖像的色彩準(zhǔn)確度和效果方面起著重要作用。CFA有多種類型,每種類型在色彩準(zhǔn)確度、清晰度、光敏感度和圖像質(zhì)量方面都有其優(yōu)缺點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)的彩色傳感器使用拜耳陣列CFA,它以紅、綠、藍(lán)、綠的陣列覆蓋像素。這種模式由柯達(dá)前員工Bryce Bayer于1976年發(fā)明。柯達(dá)的成像部門后來(lái)被分拆成一家名為True sense的公司,而這家公司于2014年被安森美收購(gòu)。另一個(gè)例子是單色傳感器,它提供單一的黑白圖像,但靈敏度更高(因?yàn)闆](méi)有彩色 "濾光片"),尤其是在不需要或未提供色彩信息的情況下,例如上述的主動(dòng)近紅外(NIR)照明應(yīng)用。


特殊類型的CFA,如RCCC(紅、透明、透明、透明)、RYYCy(紅、黃、黃、青)和RCCB(紅、透明、透明、藍(lán)),能夠在收集部分色彩信息的同時(shí)讓更多的光進(jìn)入像素。這在汽車成像等應(yīng)用中非常有用,例如可能需要紅色來(lái)檢測(cè)剎車燈或交通信號(hào)燈,但仍需要最大限度的光量。與此同時(shí),RGB-IR CFA允許像素同時(shí)捕捉可見(jiàn)光和紅外光,從而使系統(tǒng)能夠同時(shí)處理和成像這兩種類型的光線。


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