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  • 高品质成像: Sony Pregius CMOS传感器 | Lucid Vision Labs
    分类:学习      发布时间:2020-05-21

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    导言

    自1980年推出第一台CCD彩色相机后,索尼便改变了世界数字传感器技术产业。2013年索尼再次实现突破,宣布推出全球第一款全局快门CMOS传感器,此230万像素1/1.2”的传感器被命名为Pregius IMX174。索尼首创带有更高帧率的CMOS Pregius传感器与全局快门CCD的高图像质量相结合,成为业界成像性能的黄金标准。

    随着第一台Pregius IMX174传感器的成功问世,索尼摆脱了对于传统的CCD依赖,专注于开发更先进的CMOS传感器。很快,他们研发了第二代Pregius传感器包含320万像素的IMX265和500万像素的IMX264。与1/1.2英寸,像素尺寸5.86微米的第一代Pregius传感器相比,第二代传Pregius传感器尺寸更小,像素尺寸仅为3.45微米。更令人印象深刻的是,更小尺寸的传感器可以与价格更低廉的镜头相兼容。 随着索尼在STARVIS系列中积极改进其卷帘快门CMOS技术,全局快门CMOS传感器中性价比最高的非索尼Pregius莫属。

    随着不断导入新技术,Sony继续通过提高图像质量、提高帧率和增加功能来不断推陈出新。 Sony专注于消费者体验,让每个新创新都能给客户带来更低的成本和有效的功能。 LUCID产品以索尼的Pregius系列的特点为依托,提升了数字成像的标准,同时始终将无障碍性放在首位。 要了解使用索尼Pregius全球快门CMOS传感器的机器视觉摄像机的优势,我们必须首先了解索尼数字成像技术的基本构件。

    Pregius之前:卷帘快门CMOS传感器的工作原理

    在索尼推出其Pregius全局快门CMOS传感器之前,他们的CMOS传感器使用卷帘快门技术进行传感器读出。 与CCD相比,CMOS卷帘快门技术可提供经济高效的高质量成像和极高的帧率。 不幸的是,如果目标或相机处于运动状态,捕获的图像以图像摆动、歪曲或绑带的形式显示失真。 这种失真是由于卷帘快门传感器一次暴露和读取像素一行。 下面显示了传统的索尼CMOS卷帘快门管道。

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    上图显示了滚动快门索尼CMOS图像传感器的常规像素管道。 光电转换(以量子效率测量)发生在光电二极管中。 然后,电子转换为浮动扩散节点中的电压(电压为电容(C)充电(q))。 然后信号转换为数字信号。 在此阶段,信号也会经过两个相关双采样(CDS)阶段,以减少模拟和数字噪声。 这被称为“双CDS”,是索尼减少随机噪声和固定模式噪声的解决方案。


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    以上:滚动快门读出与列并行A/D转换.


    上图是索尼传统滚动快门CMOS传感器如何读出图像数据的简化动画。 每个像素列使用独立的ADC(模数转换器)进行高速读取。 每个像素行都暴露在光线下,并且一次将电荷发送到模拟转换到数字转换。 这是一行按行曝光,在高速运动期间产生图像失真。


    CMOS传感器演变:索尼Pregius全球快门CMOS



    为了在索尼的CMOS传感器中实现全球快门技术,索尼创建了一个创新的像素模拟内存节点,位于光电二极管和浮式扩散节点之间。 在Pregius CMOS传感器中,所有光电二极管开始同时曝光。 当光电二极管完成曝光时,电子会流入模拟内存,并释放光电二极管以进行下一次曝光。 此过程允许CMOS全局快门功能。 将电荷转移到模拟内存后,转换过程与滚动快门传感器相同。 其结果是一款全局快门CMOS传感器,可捕捉非失真图像,同时仍使用索尼的双CDS技术来减少随机噪声和固定模式噪声。

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    以上:索尼Pregius CMOS全球快门像素管道。


    电子电荷从光电二极管快速传输到模拟内存。 由于他们在CCD传感器设计方面的经验,索尼能够开发具有极低黑电流的模拟内存。 内存被屏蔽并放置在像素结构的低暗电流区域中,以减少暗电流拍摄噪声。

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    以上:索尼Pregius全球快门读出。


    借助模拟内存,光电二极管可以开始曝光并同时读出。 索尼Pregius CMOS传感器不仅提供全球快门成像,而且还通过持续使用模拟和数字CDS降噪技术提供高品质的低噪声成像。 


    低噪声:索尼双相关双采样(双CDS)

    为了减少噪声,索尼CMOS传感器在A/D转换前后将CDS应用于模拟和数字信号。

    在模拟信号中,索尼CMOS传感器在每个浮动扩散节点中使用“重置开关”,以耗尽先前曝光的累积电荷,从而为下一个曝光电荷留出空间。 然而,有些电子不会耗尽,最终仍留在浮动扩散中. 这些电子与下一个曝光电荷结合,增加了信号的噪声。 这种噪音对被称为“固定模式”噪音的图像产生不需要的纹理效果。 固定模式噪声在低光成像中最为明显,但可以使用CDS成功降低。 CDS通过测量前次曝光的剩余电荷来降低噪声,并从以下电荷中减去该电荷(包括左侧噪声和曝光电荷)。


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    以上:30 dB增益时的固定模式噪声(FPN)


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    以上:索尼模拟CDS列并行A/D转换之前。


    测量先前电荷留下的噪声,然后从与剩余电荷混合的下一个照射电荷中减去。


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    以上:索尼数字CDS后A/D转换


    与模拟CDS类似,数字信号读取两次,一次在复位级别,然后在信号级别再次读取。 数字减法过程可消除每个像素列之间的差异,从而减少图像噪声。


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    摘要

    索尼在开拓CCD开发后,将高质量的全球快门技术应用于其革命性的CMOS传感器。 此外,索尼通过电路和像素制造技术,降低了像素尺寸并提高了分辨率,而不会降低灵敏度。 Pregius电流传感器比其前置传感器灵敏度更高,噪声更低。 如今的Pregius传感器能够实现高画质、高分辨率和高速成像,而无需焦平面失真。 这些全球快门传感器与用于降低噪音的CDS技术相结合,为各种要求苛刻的视觉应用提供行业领先的性能。 使用Sony Pregius传感器设计和制造,Lucid相机技术将继续提供基于性能和质量的无与伦比的多功能性。

    Pregius和Pregius标志是索尼公司的商标。