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Sony CMOS芯片都一样吗?看完这份测评报告,你将知道得更多!

数月以来,关于Sony Pregius芯片的报告层出不穷。本期白皮书将展示IMX174或IMX250等CMOS芯片名称背后的意义,以及它们的相同之处与差异。我们也会将Pregius芯片与Sony另一主要CMOS系列(即STARVIS芯片)区分介绍。

1. Pregius系列芯片

Sony Pregius系列是基于CCD芯片结构的CMOS芯片。数十年来,Sony不断完善CCD芯片,使其在市场上大获成功。然而,在工业图像处理领域,CMOS芯片已是大势所趋,故Sony也需要顺应潮流的发展。

1.1 结构

为了让新的CMOS芯片保持甚至超越CCD芯片的出色图像质量,Sony新开发的Pregius系列采用了全局快门像素,与此前拥有相似优秀噪声特点的CCD像素相比,新系列的表现与之前一样出色,甚至有所超越。

Sony在此系列中运用了Exmor技术,可在平行柱读取像素的过程中,将降噪模拟信号直接转换为数字信号。这一技术不但改善了噪声特点,同时提升了速度。

图1:传统读取结构与Exmor读取结构的比较

上述系列专为工业图像处理而开发,可提供较短的曝光时间以及精确的触发信号,同时延时极短、效率出色。

1.2 第一代产品

新芯片系列的第一代产品包括IMX174和IMX249芯片。它们的像素间距为5.86 μm,分辨率为1920 x 1200像素,因此Sony旧版CCD芯片中并无1:1完全相同的型号。

这两款芯片已经表明了Sony推出产品的方式,即在相同像素类型的基础上提供两款芯片,但其速度和芯片特点有所不同。Sony后来推出了更简便的版本,每款的价格也更实惠,它们在图像质量方面的差异也较小。

第一代Pregius芯片最显著的特点,是拥有超过32 ke的高饱和容量。

1.3 第二代产品

随着Pregius系列第二代产品的出现,Sony推出了更小的3.45 μm像素尺寸。

像素展示了光转化为电子时的特点的不同之处。它的量子效率(QE)特点与第一代有很大差别。在曲线最高点的较高波长范围中存在轻微转变,这更能表明不同的像素类型会在图像性能中相应地展现不同之处。

图2:对两代PREGIUS芯片的量子效率进行比较:

第一代产品以acA1920- 50gm (IMX174)为例

第二代产品则以acA2440-20gm (IMX264)为例

而在EMVA1288中略有差别的值也表明了像素设计稍有不同:

由于第二代芯片的像素尺寸较小,它们的饱和容量大大降低,因此其性能数值与CMOS芯片的典型值更为相似。

但这些芯片也使用了Exmor技术。从上面的表格可得知,它们的噪声特点十分出众。

1.4 功能

在特色功能方面,Pregius系列也有专为工业图像处理而设计的功能。它为频繁使用的应用提供一个功能,可以设定更小范围的关注区域(ROI),以提升速度和减少数据加载。

如需要特别关注较小图像部分的检测应用(例如在印刷电路板检测应用中),就时常用到这项功能。在PCB检测中,特定的组件往往对组装功能起着重要作用。

2. STARVIS系列芯片

STARVIS系列的芯片完全不同于其他芯片,此系列也包括CMOS芯片,然而其芯片型号中也带有IMX的字样。

STARVIS芯片家族已经推出和使用了较长时间,主要用于监测领域。因此,它们最初只推出了彩色芯片。如今情况已有所改变:随着新一代黑白型号芯片的推出,工厂自动化应用对这些芯片愈发感兴趣。因此,工业图像处理领域目前也会接触到这一系列的芯片。

2.1 结构

STARVIS系列具备滚动快门芯片,像素尺寸较小,最高仅为1.85 μm。此系列产品以IMX178和IMX226芯片为代表,相关数据枚举如下:

此系列芯片的一个重要特点在于其背照式的设计

2.1.1 背面照明

由于像素尺寸较小,传统的芯片制造方法很难采集到充足的光线。因为像素的部分构成对光线采集并无促进作用,例如放大器或A/D转换器通常安装于芯片接触光线的一端,这意味着它们占据了紧邻各像素感光面的部分表面。

当像素越小时,感光面上会有更大的区域无法用于产生电子。针对STARVIS系列芯片的像素尺寸而言,由于这些几近“失明”的结构所占的比例较大,从而导致普通设计中的量子效率极为低下。因此,Sony运用了一种技巧:背面照明。

背面照明最初是随着智能手机行业对分辨率的要求越来越高而出现的一种改良技术。虽然“背面”照明的芯片采用的是正常的生产流程来制造,即在晶片表面装上所需的电子结构,但之后会将芯片的方向调转,以便让真正的放大器和测量电子元件转移到芯片背部。然后,芯片的感光部分便可置于前方。

也就是说, 感光晶片结构与提供支持的晶片结构无需在同一表面争夺空间, 从而让感光部分的表面得以扩大,同时又不会干扰测量电子元件工作。这种技巧可以将几乎整个像素表面用作光电感应。

图3:前照式与背照式技术的比较

Sony将这项技术与Exmor系列的低噪声读数和高速的优势相结合, 将这一组合称为Exmor R技术。

STARVIS系列的型号仅包含使用这项技术的芯片,同时对相邻近红外范围的波长稍做优化,让它们即使在夜间时分也能拍摄出优质的监测图像。

2.1.2 功能

IMX178和IMX226芯片专为区域监测而设计。从工业图像处理的角度来看,这种设计具有一些功能上的局限性。

芯片通常仅仅为自由运作或连续录像而设,而工厂自动化中惯用的触发单张图像的拍摄功能却并非设计的初衷。

同样的,1200万像素的IMX226芯片,仅仅是为了近全分辨率或全分辨率(8k)的操作而开发。

因此,在获得更高速度的同时无法缩减ROI读数,但ROI已成为工业图像处理的惯用概念。

2.2 EMVA1288

然而,背面照明技术让Sony得以在像素尺寸较小的情况下,表现出优秀的EMVA数值。

图4:acA3088-16gm (IMX178)的量子效率在各波长范围的应用

3. 灵敏度比较

芯片灵敏度特别值得关注,因为Sony将其视为STARVIS系列的重点。这里的灵敏度是指芯片所需的光线程度和光子数量,以便在噪声中产生显著的信号。

以下是EMVA1288标准提供的“灵敏度绝对阈值”的测量值。它表明了信噪比精确到1时所需的平均光子数量。

由此可推断,Pregius系列第二代芯片的灵敏度最高,紧随其后的是STARVIS系列

4. 主要产品差异以及其对应用所带来的意义

STARVIS和Pregius快门之间的区别会大大影响到潜在的合适应用

滚动快门让许多应用无法拍摄测量物体或相机运动,因为这会导致失真而影响正常图像处理。交通领域的应用就是一个贴切例子,例如收费系统的自动牌照识别,或超速、闯红灯等执法应用。

相机触发速度的不同

配备Pregius芯片的触发器比STARVIS系列的触发器更为快速和精准,为一些要求触发器精准启动的应用带来便利,如3D或其他多相机应用中需要随后对多张图像进行合并编辑。相关的应用例子包括空瓶检测、体育分析,或电路板的自动光学检测(AOI)。

图5:读数时间的差异

一般而言,具有开拓性的Pregius芯片经得起未来的考验,正逐渐替代旧版CCD芯片的地位。

具备500万像素的衍生型号(即IMX264 和IMX250),可以替代ICX625这款CCD芯片;而IMX267和IMX255也可作为ICX824的替换产品。

由这些芯片所匹配的相机可用作各类型的升级,或可作为其他相机的替代品,同时无需对系统的光学设定进行重大调整。

相反,STARVIS芯片与Pregius系列相比,则具有明显的成本效益

对于不受上述不利因素影响的应用,STARVIS芯片可以在不怎么移动的情况下获得出色的图像质量。即使芯片的像素尺寸变得更小,较小尺寸的芯片同样可以获得较高分辨率。但是在选择光学配件的时候,需要将这些情况纳入考虑范围。

5.总结

显然,IMX芯片并非全都一样。即便是在Pregius芯片系列之中, 各代产品之间依然在产品构思和运作方式方面存在巨大差异。当比较Pregius系列与STARVIS芯片时,这种区别则更明显。

因此,我们需要对应用要求以及各种芯片的性能范围进行仔细评估,此项工作尤为重要。

但所有的IMX芯片都有一个共同点:它们出色的图像质量让Sony成为一流的高品质芯片制造商,并在CMOS市场坐拥一席之地。

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  • 原文链接http://kuaibao.qq.com/s/20180117G0AS2500?refer=cp_1026
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