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哪一款CMOS芯片适合我的应用?

在图像处理技术领域,CMOS芯片在很大程度上已经取代了CCD芯片。近年来,更现代化的芯片技术发展迅猛。作为最大的CMOS芯片制造商之一,Sony在其中发挥着重要的作用。IMX系列中的芯片型号是工业相机中最常用的芯片。本文介绍了Sony(索尼)各个IMX型号系列之间的主要区别,其中包括Pregius系列、STARVIS系列和Pregius S系列。

几年前,在用于工业图像处理的相机中,CCD技术的市场份额占主导地位。当时,CMOS芯片被视为一种有前途、但尚未成熟的技术,即使是众多专家也没有预料到CMOS芯片会在短期内与发展成熟的CCD芯片产生激烈竞争。

Sony是最重要的国际芯片制造商之一,当它于2015年初宣布停产CCD芯片之后,情况突然转变,预示着CCD技术将在工业图像处理以及许多其他领域谢幕。大约两年前,该公司推出了目前第四代全新CMOS芯片系列中的初代产品,命名为IMX系列,该系列显著提升了动态范围,当时引起了市场轰动。这些初代芯片依然稳定供货,可缩短曝光时间,可选择在图像处理过程中所需的触发和读出选项,并支持以出色的质量来采集图像,成像质量超过同价位的其他竞品芯片。

IMX芯片之所以具备高成像质量,原因之一是Sony采用了一项名为Exmor的特殊技术。借助该技术,在读出像素时,芯片记录的降噪模拟信号可直接转换为数字信号。这种方法使得IMX芯片有别于与其他制造商的芯片,不仅可以提高噪声性能,还可以实现更高的帧速率

芯片的另一个重要特性在于它所采用的快门。在功能上,快门即对应于传统相机中的光圈,并以芯片电子元件的形式实现。在工业图像处理领域中存在两个不同的概念:在采用滚动快门的芯片中,芯片的各个像素行将逐一进行曝光并读出。在带有移动物体的应用中,这个过程会导致芯片各行出现延迟曝光,并且根据不同的检测情况,还可能导致采集的图像中出现失真。

采用全局快门技术的芯片则拥有不同的工作方式:芯片会同时读出所有曝光的像素。这种方式确保它也可以采集测试物体在移动时的图像,或者在交通应用中确保移动车辆的图像不会失真。

此外,Sony开发人员已经将多种功能集成到了这个为工业图像处理行业带来了巨大优势的第一代IMX型号中,其中包括可定义较小的感兴趣区域(ROI)。限制芯片的读出面积可有助提高图像采集速度,并减小在数据传输过程中图像数据的大小。当只需要查看特定区域以进行物体检测时,此功能始终可以发挥理想的作用。

IMX174和IMX249是第一代IMX芯片的型号,也称为Pregius系列。这两款全局快门芯片使用边长为5.68 μm的方形像素,分辨率为1920 x 1200像素,帧速率各不相同:IMX249支持41 fps的帧速率,高速版型号IMX174甚至可达到惊人的166 fps。

对于那些只需230万像素的分辨率就足以解决手头任务需求的应用,配备IMX174和IMX249芯片的相机如今依然不失为理想的选择,因为它具备饱和容量高、信噪比高并且动态范围出色的特点。

第二代IMX芯片可支持的分辨率范围显著增加。
第二代IMX芯片可支持的分辨率范围显著增加。

减小像素尺寸的第二代IMX芯片

在第二代IMX芯片中,Sony将像素尺寸减小到3.45μm x 3.45μm,并在2016年底推出了分辨率为300万像素(IMX252和IMX265)、500万像素(IMX250和IMX264)、900万像素(IMX255和IMX267)以及1200万像素(IMX253和IMX304)的型号。这些芯片还能让用户享受到全局快门的优势,并借助Exmor技术实现出色的成像质量。在速度方面,标准的第二代型号(IMX265、IMX264、IMX267和IMX304)的帧速率范围为23-56 fps,而高速版型号每秒可采集68-216 fps。

两代IMX芯片在饱和容量方面有明显的差异,第二代IMX芯片的饱和容量值显著低于第一代IMX芯片,但仍然与其他制造商生产的CMOS芯片的范围值相当。不过,Sony在类似的像圈尺寸上成功将可实现的分辨率提高到原来的三倍,从而弥补了它在饱和容量方面的数值差异。

采用背照式技术的STARVIS芯片

借助STARVIS系列,Sony提供了一种已经问世多年的强大芯片技术。这种技术最初仅限于几个彩色芯片型号,并且主要用于监控领域。自黑白STARVIS型号推出以来,这些芯片在工厂自动化应用中变得越来越受欢迎。这个Sony芯片系列原本是与Pregius系列并行开发的,最初只提供滚动快门,但后来也采用了全局快门技术。STARVIS芯片也标有IMX的缩写字样,并采用边长在1.85μm - 3.76μm之间的方形像素。

STARVIS系列与Pregius芯片第一代/第二代芯片之间最重要的区别特征就是STARVIS芯片所具备的滚动快门和背照式技术。这种芯片设计也被称为BSI,它是Sony开发的一项复杂精妙的技术,可高效地解决应用难题:STARVIS芯片采用的像素尺寸非常小,边长仅为1.85 μm。由于像素尺寸非常小,芯片上用于接收光线的可用像素区域与所需电子元件(如放大器或A/D转换器)所占的面积比例并不协调。如果非光敏部分的面积增加,则会降低芯片的量子效率。

Sony通过将放大器和评估电子元件从芯片的正面挪到了背面,从而避免了传统前照式结构芯片(FSI)中存在的这种问题。如此一来,就可以只把芯片的感光部分置于前方。这个设计技巧可以让几乎整个像素区域都用于光电响应,并减少来自电子元件自身的反射光。此外,BSI芯片的光敏平面高于传统的FSI设计,这也有助于提高成像表现。

照式(FSI)芯片与背照式(BSI)芯片的比较:

在FSI芯片(左图)中,线路位于光敏像素区域上方。光线到达光电二极管之前必须通过某种类似“隧道”的结构,并且部分光线会受到电子元件的反射。在BSI技术(右图)中,则可实现在光电二极管下方布线。
在FSI芯片(左图)中,线路位于光敏像素区域上方。光线到达光电二极管之前必须通过某种类似“隧道”的结构,并且部分光线会受到电子元件的反射。在BSI技术(右图)中,则可实现在光电二极管下方布线。

通过比较灵敏度和绝对阈值可看出效果差异,EMVA1288标准对此阈值进行了定义,并指出了芯片平均需要多少光线(即光子)才能产生有别于噪声的充足信号。第一代Pregius芯片的阈值为10,第二代Pregius型号的阈值为3,而STARVIS系列芯片的阈值为4。

最新的第四代Pregius S系列

2020年,Sony推出了目前最先进的Pregius S芯片系列,其像素尺寸为2.74μm x 2.74μm,分辨率为510万 - 2450万像素。标准型号IMX540、IMX541、IMX542、IMX545、IMX546和IMX547的帧速率为35 - 122 fps或每秒最高可达87亿像素,而高速版型号IMX530、IMX531、IMX532、IMX535、IMX536和IMX537甚至可实现106 - 259 fps或每秒最高可达260亿像素,从而可以对高速移动的物体进行检测。

Pregius S芯片把为STARVIS系列开发的BSI技术优势,与前两代Pregius系列的全局快门技术相结合,并继续提供Exmor降噪技术的优点。

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应用需求是决定性因素

哪种CMOS芯片最能满足应用需求是由手头的任务性质来决定的。这里的决定性标准之一是所用相机的触发速度以及芯片规格:要为快速移动的物体拍摄图像,就必须尽可能快速精确地触发相机。在这方面,Pregius芯片比STARVIS系列芯片表现更佳:对于Pregius芯片,从触发到读出图像需时仅20 μs左右,而STARVIS芯片则可能需要450 μs或以上。因此,在精确触发对成像质量至关重要的应用中,配备Pregius芯片的相机是更理想的选择。应用实例包括在工业领域中检测高速移动的物体(如瓶子或印刷电路板),以及在体育运动领域中的动作分析。搭载Pregius芯片的相机具备高触发速度和高精度,因此也可以让3D应用或使用多相机系统的应用从中受益。

用户希望寻找一款性能符合要求的CMOS相机来替代旧型号,并且要求它具有与CCD技术相类似的特性。从经济方面来看,选择一款无需对现有光源和光学配件进行过多调整的CMOS芯片相机是合理的。与STARVIS系列相比,Pregius系列芯片的规格与早期CCD相机的规格相似度更高,因此Pregius芯片更适合特别注重相机规格的应用。例如,Pregius系列中500万像素的IMX264和IMX250型号版本可作为应用广泛的ICX625 CCD芯片的完美替代品。配备ICX824 CCD芯片的相机可轻松替换为搭载Pregius系列IMX267和IMX255芯片(分辨率为890万像素)的相机型号,无需对系统的光学设置进行重大调整。

另一方面,STARVIS系列芯片比Pregius系列芯片具有更明显的成本优势。如果无需在运动中记录要检查的物体,那么配备STARVIS芯片的相机所用的滚动快门技术已经能满足需求。由于STARVIS芯片的像素尺寸非常小,因此还支持使用较小的芯片获得更高的分辨率,但必须在选择光学配件时首先考虑到这一点。

行业趋势

近年来,随着芯片技术的发展,新型号的功能越来越多样化。例如,在第二代Pregius系列中,Sony引入了多曝光触发器,其中单个触发脉冲信号可触发芯片快速采集多个图像,因此相机能够以不同的图像亮度来拍摄物体。通过这种方式,就可以选出最佳图像以供后续的图像评估。此功能也可提供给第三代和第四代芯片的用户使用。

此外,第三代还有两项创新功能,即在高速芯片中引入的自触发功能和双触发功能。借助自触发功能,用户可以定义两个不同的图像区域(感兴趣区域,ROI)。当在一个图像区域中检测到变化时,就会为另一个图像区域拍摄图像。此外,双触发功能支持为曝光时间和增益定义两个不同值,并且可以相互独立控制。所有第四代芯片均包含自触发和双触发功能。

这些示例表明,前几代芯片的功能通常可以延续到下一个开发阶段,从而为用户提供更丰富的选择。

芯片开发的另一个重要趋势是采用尺寸更小、分辨率更高的设计。这是通过缩小像素尺寸来实现的。由于生产过程取得的技术进步,像素尺寸正在变得越来越小。芯片的这种小型化趋势也可能会让相机的尺寸进一步缩小。此外,在特定情况下,由于相机分辨率较高,从而减少了所用的相机数量。因此,可能实现经过成本优化的相机系统。Pregius系列芯片通常需要搭配价格高昂的1英寸镜头,但也可以转而选择芯片尺寸较小的Pregius S系列芯片,它们可以搭配价格更经济、但功能同样强大的镜头。这让配备Pregius S芯片的相机变得十分受市场欢迎。

结论

全球最重要的芯片制造商Sony开始致力于研发CMOS技术,预示了CCD芯片和CCD相机时代的终结。前四代的IMX Pregius系列、STARVIS系列和Pregius S系列芯片具备多种技术特性,为工业图像处理等众多应用领域的开发人员和用户提供了选择丰富的分辨率、帧速率和相机功能。随着芯片技术的不断发展,不难想象下一代的芯片技术将提供更广泛的技术可能性。

欢迎详细了解配备Sony IMX系列芯片的Basler相机。