1.概述

1980年，索尼推出了第一臺(tái)CCD彩色相機(jī)。直到2013年，索尼刷新了傳感器領(lǐng)域市場(chǎng)的布局，推出了全球首款快門(mén)CMOS傳感器Pregius IMX174, 1/1.2″2.3 MP。索尼首款Pregius傳感器將全球快門(mén)CCD圖像質(zhì)量與CMOS高速幀率結(jié)合在一起，創(chuàng)造了成像性能的新標(biāo)準(zhǔn)。

隨著首款Pregius IMX174傳感器的成功，索尼從傳統(tǒng)的CCD轉(zhuǎn)向更先進(jìn)的CMOS傳感器。第二代Pregius傳感器包括3.2 MP IMX265和5.0 MP IMX264。第一代Pregius傳感器尺寸為1/1.2 "，像素尺寸為5.86 μm。相比之下，第二代傳感器尺寸更小，為3.45 μm。尺寸越小允許兼容的鏡頭更具有成本效益。隨著索尼在STARVIS系列中改進(jìn)其滾動(dòng)快門(mén)CMOS技術(shù)，使得Pregius仍然是全球快門(mén)CMOS性能方面的前列。

隨著每年新技術(shù)的推出，索尼專(zhuān)注于消費(fèi)者，以降本和高性能為目標(biāo)，不斷通過(guò)提高圖像質(zhì)量，幀率和增加功能進(jìn)行創(chuàng)新。在索尼的Pregius系列中，Lucid產(chǎn)品在保持訪(fǎng)問(wèn)的功能下推動(dòng)了數(shù)字成像的極限。要了解使用索尼Pregius全局快門(mén)CMOS傳感器的機(jī)器視覺(jué)相機(jī)的好處，必須先了解索尼數(shù)字成像技術(shù)的基本組成部分。

2.在Pregius系列之前:滾動(dòng)快門(mén)CMOS傳感器是如何工作的

在索尼發(fā)布Pregius系列的全球快門(mén)CMOS傳感器之前，他們的CMOS傳感器使用滾動(dòng)快門(mén)技術(shù)進(jìn)行傳感器讀取。與CCD相比，CMOS滾動(dòng)快門(mén)技術(shù)具有成本效益高，高質(zhì)量成像和高幀速的特點(diǎn)。不過(guò)當(dāng)目標(biāo)或相機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，則捕獲的圖像會(huì)有圖像抖動(dòng)、傾斜或條帶等失真問(wèn)題。這種失真是由于滾動(dòng)快門(mén)傳感器一次一行地曝光讀出像素導(dǎo)致的。一個(gè)傳統(tǒng)的索尼CMOS卷簾門(mén)工作流程如下圖所示。

圖1:傳統(tǒng)的索尼CMOS滾動(dòng)快門(mén)像素管道

上圖顯示了索尼CMOS滾動(dòng)快門(mén)圖像傳感器傳統(tǒng)像素的工作流程。光電轉(zhuǎn)換(用量子效率測(cè)量)發(fā)生在光電二極管中，電子在浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為電壓(電壓是電荷(q)除以電容(C))，之后電信號(hào)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。在這一階段，信號(hào)經(jīng)過(guò)2級(jí)相關(guān)雙采樣(CDS)來(lái)減少模擬和數(shù)字噪聲，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為“雙cd”，是索尼為了減少隨機(jī)和固定模式噪聲的解決方案。

圖2:帶列并行A/D轉(zhuǎn)換的滾動(dòng)快門(mén)讀數(shù)

上圖是一個(gè)簡(jiǎn)化的動(dòng)畫(huà)，展示了傳統(tǒng)索尼滾動(dòng)快門(mén)CMOS傳感器讀取圖像數(shù)據(jù)的過(guò)程。每個(gè)像素列使用一個(gè)獨(dú)立的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)高速讀出。每個(gè)像素行都暴露在光下，電荷一次一行地發(fā)送進(jìn)行模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換，正是這種逐行曝光的情況導(dǎo)致CMOS在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生圖像失真的情況。

3.CMOS傳感器的發(fā)展:索尼Pregius系列的快門(mén)CMOS

為了將全局快門(mén)技術(shù)應(yīng)用到索尼的CMOS傳感器中，索尼在光電二極管和浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)之間創(chuàng)建了一個(gè)新的像素模擬存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。在Pregius CMOS傳感器中，所有光電二極管同時(shí)開(kāi)始曝光，當(dāng)光電二極管完全曝光時(shí)，電子流入模擬存儲(chǔ)器并釋放光電二極管進(jìn)行下一次的曝光。電荷轉(zhuǎn)移到模擬存儲(chǔ)器后，轉(zhuǎn)換過(guò)程與卷簾門(mén)傳感器相同。最終結(jié)果是一個(gè)全局快門(mén)CMOS傳感器捕捉非失真圖像，同時(shí)利用雙CDS技術(shù)來(lái)減少隨機(jī)和固定模式噪聲。

圖3:索尼Pregius CMOS全局快門(mén)像素管道

電子電荷迅速地從光電二極管轉(zhuǎn)移到模擬存儲(chǔ)器。基于在CCD傳感器設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)，索尼能夠開(kāi)發(fā)出具有非常低暗電流的模擬存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器被屏蔽并放置在像素結(jié)構(gòu)中的低暗電流區(qū)域內(nèi)，來(lái)減少暗電流射擊噪聲。

圖4:索尼Pregius快門(mén)讀數(shù)

因?yàn)槟M存儲(chǔ)器，光電二極管可以同時(shí)開(kāi)始曝光和讀出。因?yàn)槌掷m(xù)使用其模擬和數(shù)字CDS降噪技術(shù)，索尼Pregius CMOS傳感器不僅擁有全局快門(mén)成像功能，而且提供了高質(zhì)量的低噪聲技術(shù)。

4.低噪聲:索尼雙相關(guān)雙采樣(雙cd)

為了降低噪聲，索尼CMOS傳感器在A/D轉(zhuǎn)換之前和之后對(duì)模擬和數(shù)字信號(hào)應(yīng)用CDS。