圖像傳感器選擇標(biāo)準(zhǔn)多？成像性能必須排第一

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)和開發(fā)各種設(shè)備過程中一個(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、汽車等。選擇最合適的圖像傳感器需要對眾多標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)雜的評估，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，圖像傳感器可以說是最復(fù)雜的。這些傳感器將光子轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過一系列微透鏡、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各種類型的接口傳輸。此外，為了優(yōu)化數(shù)字處理過程，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，而底層晶片則針對前面討論的其他數(shù)字邏輯進(jìn)行了優(yōu)化。

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：“我該從何入手呢？”

安森美（onsemi）最新的白皮書對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)

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電磁光譜中人眼無法看到的其他波長的敏感性。這些波長包括波長較短的紫外線（UV）和波長較長的近紅外線（NIR）。大多數(shù)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）圖像傳感器的檢測范圍在350納米到1000納米之間。不過，某些技術(shù)也可以對短波紅外（SWIR）成像，而有些技術(shù)則可以進(jìn)一步延伸到紫外線范圍。

圖 4. 電磁頻譜--人眼與硅傳感器的對比

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，沒有任何中間層，從而進(jìn)一步提高了性能。

圖 5. CMOS 圖像傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢

在背照式技術(shù)趨勢之后，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)的測量值，比傳感器的實(shí)際對角線尺寸大50%。最常見的光學(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。

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，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)對于拍攝高對比度場景（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。

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)用場景，但在成像應(yīng)用中，擁有 HDR 選項(xiàng)正變得越來越重要。

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）閃爍的問題。

■ 增益/電容（超級(jí)曝光）： 這種方法通過在像素旁邊添加電容來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。這樣可以延長像素的曝光時(shí)間，而不會(huì)出現(xiàn)過飽和現(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)確且無失真的圖像。不過，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。

圖 8. 拍攝快速移動(dòng)物體時(shí)的卷簾快門與全局快門對比

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)可以在幾乎沒有環(huán)境光的情況下使用。人眼無法感知NIR LED的光，只能感知可見光范圍LED的光。

盡管由于波長的原因，人眼無法感知NIR LED，但眼睛仍可能受到其傷害。因此，如果NIR光沒有以適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和周期發(fā)射，就有可能使毫無防備的人失明。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)。

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)問題，而良好的GSE則會(huì)帶來更好的運(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可以捕獲更長波長的光，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。這對于傳感器廠商來說是一個(gè)復(fù)雜的選擇，并且會(huì)因應(yīng)用而異。

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)趨勢和考慮因素

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

▲ 成像深度

在機(jī)器視覺、AR/VR、駕駛員監(jiān)控等各種應(yīng)用中，深度變得越來越重要。實(shí)現(xiàn)深度的一種方法是通過間接飛行時(shí)間（iToF）傳感器，這種傳感器通過測量光的不同相位以及光從傳感器傳播到反射回來的時(shí)間來確定距離。另一種方法是通過安裝立體攝像頭，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，對更高幀率的需求日益增長。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、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)帶來的影響，并減少對全局快門的需求。

▲ 溫度性能

圖像傳感器對溫度極為敏感，因此必須考慮其在不同曝光和條件下的性能。溫度過高或過低以及在較高占空比下長時(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。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]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檢測剎車燈或交通信號(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。

未完待續(xù)，后續(xù)文章我們將介紹產(chǎn)品/系統(tǒng)參數(shù)、工具和其他標(biāo)準(zhǔn)。