Confronto tra la serie di sensori CMOS IMX di Sony
I modelli della serie IMX di Sony sono tra i sensori più utilizzati nelle telecamere industriali. Ma quale serie è quella giusta per la tua applicazione? Scopri di più sulle principali differenze tra le varie serie di modelli IMX di Sony, note anche come Pregius, STARVIS e Pregius S.
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I primi sensori IMX
Solo pochi anni fa, la tecnologia CCD rappresentava di gran lunga la quota maggiore dei sensori per telecamere destinati all'elaborazione industriale delle immagini. All'epoca, i sensori CMOS erano considerati una tecnologia promettente ma non ancora matura, che nemmeno gli esperti ritenevano potesse competere nell'immediato con i sensori CCD già affermati.
La situazione è cambiata bruscamente quando Sony, uno dei più importanti produttori internazionali di sensori, ha annunciato l'interruzione della produzione di CCD all'inizio del 2015. Questo ha segnato la fine dell'era dei CCD nell'elaborazione industriale delle immagini e in molti altri settori. Circa due anni prima, l'azienda aveva introdotto la prima di (attualmente) quattro generazioni di una nuova famiglia di sensori CMOS chiamata IMX, che ha suscitato particolare scalpore grazie alla sua gamma dinamica significativamente più ampia. Questi sensori, ancora disponibili, consentono tempi di esposizione brevi, offrono la selezione delle opzioni di trigger e lettura richieste nell'elaborazione delle immagini e permettono di acquisire immagini di qualità eccezionale, superiore a quella dei sensori concorrenti nella stessa fascia di prezzo.
Cosa rende i sensori IMX così speciali?
Tecnologia Exmor per un'elevata qualità di immagine
Uno dei fattori che contribuiscono all'elevata qualità dell'immagine dei sensori IMX è una speciale tecnologia di Sony chiamata Exmor, in cui il segnale analogico con rumore ridotto registrato dal sensore viene convertito direttamente in un segnale digitale durante la lettura dei pixel. Questo approccio distingue i sensori IMX dalla concorrenza e non solo migliora le prestazioni in termini di rumore, ma consente anche frame rate più elevati.
Global shutter per scatti senza distorsioni
Un'altra caratteristica particolarmente importante di un sensore è il suo otturatore. Implementato nell'elettronica del sensore, corrisponde alla funzionalità di un diaframma in una telecamera convenzionale. Nell'elaborazione industriale delle immagini esistono due concetti diversi: otturatori rolling e otturatori globali. Nei sensori con otturatori rolling, le linee di un sensore vengono esposte e lette una dopo l'altra. Nelle applicazioni con oggetti in movimento, questa procedura comporta un'esposizione ritardata delle linee del sensore e (a seconda della situazione di ispezione) può causare distorsioni indesiderate nelle immagini acquisite.
I sensori con otturatore globale funzionano in modo diverso: leggono tutti i pixel esposti contemporaneamente, garantendo che le immagini di oggetti in movimento possano essere acquisite senza distorsioni. Un esempio è l'acquisizione di immagini di veicoli o oggetti in movimento nelle applicazioni di traffico.
ROI più piccolo per velocità più elevate
Inoltre, gli sviluppatori Sony hanno integrato nella loro prima generazione IMX funzioni che hanno apportato grandi vantaggi all'elaborazione industriale delle immagini. Tra queste vi è la possibilità di definire regioni di interesse (ROI) più piccole. Limitando l'area di lettura del sensore si aumenta la velocità di acquisizione delle immagini e si riduce la dimensione dei dati immagine per la trasmissione dei dati. Questa funzione è particolarmente utile quando è necessario visualizzare solo alcune piccole aree per l'ispezione degli oggetti.
Pregius - la prima generazione di sensori IMX
IMX174 e IMX249 IMX174 e IMX249 sono i nomi dei sensori della prima generazione IMX, nota anche come Pregius. Questi sensori con otturatore globale contengono pixel quadrati con una lunghezza del bordo di 5,68 µm e una risoluzione di 1920 x 1200 pixel. Si differenziano per la velocità: IMX249 consente una velocità di acquisizione delle immagini di 41 fotogrammi al secondo, mentre la variante IMX174 ad alta velocità raggiunge l'impressionante velocità di 166 fotogrammi al secondo. Per le applicazioni in cui una risoluzione di 2,3 megapixel è sufficiente per risolvere il compito da svolgere, le telecamere basate sui sensori IMX174 e IMX249 sono spesso ancora la scelta perfetta grazie alla loro elevata capacità di saturazione, all'alto rapporto segnale/rumore e all'impressionante gamma dinamica.
Seconda generazione IMX con pixel ridotti
Nella seconda generazione seconda generazione di sensori IMX, Sony ha ridotto la dimensione dei pixel a 3,45 µm x 3,45 µm e ha introdotto modelli con risoluzioni di 3 MP (IMX252 e IMX265), 5 MP (IMX250 e IMX264), 9 MP (IMX255 e IMX267) e 12 MP (IMX253 e IMX304) alla fine del 2016. Questi sensori offrono inoltre agli utenti i vantaggi di un otturatore globale e utilizzano la tecnologia Exmor per una qualità dell'immagine eccezionale. In termini di velocità, i modelli standard di seconda generazione (IMX265, IMX264, IMX267 e IMX304) vanno da 23 a 56 fotogrammi al secondo, mentre le versioni ad alta velocità consentono di catturare da 68 a 216 fotogrammi al secondo.
Rispetto ai primi sensori IMX, la seconda generazione presenta differenze significative nella capacità di saturazione. Sebbene chiaramente inferiore ai valori dei suoi predecessori, è comunque nella gamma dei sensori CMOS di altri produttori. Tuttavia, questa caratteristica è compensata dal fatto che Sony è riuscita a triplicare la risoluzione ottenibile con un formato di sensore comparabile.
Confronto tra i sensori IMX di prima e seconda generazione
Sensori | IMX174 & IMX249 | IMX252 & IMX256 | IMX250 & IMX264 | IMX255 & IMX267 | IMX253 & IMX304 |
|---|---|---|---|---|---|
Risoluzione [MP] | 2.3 | 3 | 5 | 9 | 12 |
Risoluzione [pixel * pixel] | 1920*1200 | 2048*1536 | 2448*2048 | 4112*2176 | 4112*3008 |
Formao sensore ["] | 1/1.2 | 1/1.8 | 2/3 | 1 | 1.1 |
Dimensione Pixel [µm] | 5.68 | 3.45 | 3.45 | 3.45 | 3.45 |
max fps @Basler | 164 | 120 | 75 | 40 | 30 |
La gamma di risoluzioni possibili è aumentata significativamente con la seconda generazione di sensori IMX.
Sensori STARVIS con tecnologia retroilluminata
Con la famiglia STARVIS, Sony offre da tempo una potente tecnologia di sensori. Inizialmente era disponibile solo in diverse varianti di colore e veniva utilizzata principalmente in applicazioni di sorveglianza. Dopo l'introduzione dei modelli STARVIS monocromatici, questi sensori sono diventati sempre più interessanti per le applicazioni di automazione industriale. Questa famiglia di sensori Sony è stata sviluppata parallelamente alla linea Pregius ed era inizialmente disponibile solo con otturatore rotante, ma in seguito è stata offerta anche con otturatore globale. I sensori STARVIS sono contrassegnati anche con l'abbreviazione IMX e funzionano con pixel quadrati con lunghezza del bordo compresa tra 1,85 µm e 3,76 µm.
Sensori STARVIS vs Pregius
The most important distinguishing features between STARVIS and the first and second Pregius generations are the rolling shutter and the backside-illuminated technology of the STARVIS sensors.
Sensore con illuminazione frontale (FSI) rispetto al sensore con illuminazione posteriore (IMX)
Questo design del sensore, noto anche come BSI, è uno sviluppo sofisticato di Sony che risolve elegantemente un problema. I sensori STARVIS funzionano con pixel molto piccoli, con una lunghezza del bordo fino a 1,85 µm. Con pixel di dimensioni così ridotte, si crea un rapporto sfavorevole tra le aree del sensore disponibili per i pixel che ricevono la luce e i componenti elettronici necessari, come amplificatori o convertitori A/D. Se le parti non sensibili alla luce aumentano, l'efficienza quantica di un sensore diminuisce.
Sony evita questa situazione posizionando l'amplificatore puro e l'elettronica di valutazione sul retro del sensore anziché sulla parte anteriore, come nel caso dei sensori convenzionali, i cosiddetti sensori frontside-illuminated (FSI). Solo le parti sensibili alla luce del sensore sono posizionate sul lato anteriore. Questo accorgimento consente di utilizzare quasi tutta l'area dei pixel per la risposta fotoelettrica e riduce il riflesso della luce dai componenti elettronici. Inoltre, il piano sensibile alla luce di un sensore BSI è più alto rispetto al design FSI convenzionale, il che contribuisce anche a migliorare le prestazioni di imaging.
Soglia di sensibilità
Gli effetti di ciò sono evidenti confrontando la soglia di sensibilità assoluta, definita nello standard EMVA1288 standard. Essa indica la quantità media di luce, ovvero di fotoni, necessaria ai sensori per generare un segnale sufficientemente distinguibile dal rumore. Questo valore è pari a 10 per i sensori Pregius di prima generazione, mentre i modelli Pregius di seconda generazione raggiungono un valore di 3 e i sensori STARVIS un valore di 4.
STARVIS | Pregius 1st gen | Pregius 2nd gen | |
|---|---|---|---|
Absolute sensitivity threshold | 4 | 10 | 3 |
Pregius S, l'attuale quarta generazione
Nel 2020 Sony ha presentato il Pregius S, attualmente la generazione più avanzata di sensori con una dimensione dei pixel di 2,74 µm x 2,74 µm e risoluzioni da 5,1 a 24,5 megapixel. IModelli standard IMX540, IMX541, IMX542, IMX545, IMX546 e IMX547 hanno velocità di acquisizione delle immagini da 35 a 122 fotogrammi al secondo o fino a 870 megapixel al secondo, levarianti ad alta velocità IMX530, IMX531, IMX532, IMX535, IMX536 e IMX537 raggiungono anche 106-259 fotogrammi al secondo o fino a 2600 megapixel al secondo, consentendo così l'ispezione di oggetti in rapido movimento. Pregius S combina i vantaggi della tecnologia BSI sviluppata per la famiglia STARVIS con l'approccio global shutter delle prime due serie Pregius e continua a sfruttare i vantaggi della riduzione del rumore Exmor.
Qual è il sensore IMX più adatto?
L'applicazione
La scelta del sensore CMOS più adatto per un'applicazione dipende dal compito da svolgere. Uno dei criteri decisivi è la velocità di scatto delle telecamere utilizzate e dei loro sensori: se si desiderano immagini di oggetti in rapido movimento, lo scatto deve essere il più veloce e preciso possibile. In questo caso, i sensori Pregius hanno valori migliori rispetto ai sensori della serie STARVIS: il tempo che intercorre tra lo scatto e la lettura di un'immagine è di soli 20 µs circa per i sensori Pregius, mentre i sensori STARVIS possono richiedere 450 µs o più. Le telecamere con sensori Pregius sono quindi la scelta migliore nelle applicazioni in cui l'esecuzione precisa dell'attivazione è fondamentale per la qualità dell'immagine. Esempi dal settore industriale includono l'ispezione di oggetti in rapido movimento, come bottiglie o circuiti stampati, nonché l'analisi del movimento nello sport. Anche le applicazioni 3D o quelle che utilizzano sistemi multi-telecamera traggono vantaggio dall'elevata velocità di attivazione e dalla precisione delle telecamere basate su Pregius.
Sensori IMX come sostituti dei CCD
Gli utenti sono spesso alla ricerca di un sostituto CMOS adeguato per telecamere con caratteristiche paragonabili alla tecnologia CCD. Per ragioni di economicità, è opportuno scegliere telecamere con sensore CMOS che richiedano il minor adattamento possibile dell'illuminazione e dell'ottica esistenti. I formati dei sensori Pregius assomigliano a quelli delle precedenti telecamere CCD in misura maggiore rispetto alla serie STARVIS e sono quindi più adatti per applicazioni in cui questo aspetto è particolarmente importante. Ad esempio, le varianti IMX264 e IMX250 da 5 MP della serie Pregius possono funzionare in modo eccellente come sostituti del sensore CCD ICX625 ampiamente utilizzato. Le telecamere dotate del sensore CCD ICX824 possono essere sostituite con poco sforzo dai modelli con le versioni Pregius da 8,9 MP IMX267 e IMX255, senza dover apportare modifiche significative alla configurazione ottica del sistema.
Vantaggi in termini di costi
I sensori STARVIS, d'altra parte, offrono un chiaro vantaggio in termini di costi rispetto alla serie Pregius. Se gli oggetti da ispezionare non devono essere registrati in movimento, l'otturatore rotante delle telecamere basate su STARVIS ha poca importanza. Grazie alle dimensioni molto ridotte dei pixel, questi sensori consentono anche risoluzioni più elevate con un sensore più piccolo, ma questo deve essere preso in considerazione nella scelta dell'ottica.
Tendenze nello sviluppo della serie IMX
Nuove funzioni
Gli sviluppi dei sensori negli ultimi anni mostrano una tendenza verso funzioni sempre più diversificate nei nuovi modelli. Sony, ad esempio, ha introdotto un trigger multi-esposizione con la seconda generazione Pregius, in cui un singolo impulso di trigger attiva la rapida acquisizione di più immagini, consentendo di catturare un oggetto con diverse luminosità dell'immagine. In questo modo, è possibile selezionare l'immagine ottimale per la successiva valutazione dell'immagine. Questa funzione è disponibile anche per gli utenti della terza e quarta generazione. Questa tendenza si applica anche a due innovazioni della terza generazione, che ha introdotto i cosiddetti auto-trigger e dual-trigger nei sensori ad alta velocità. Con un auto-trigger, vengono definite due diverse aree dell'immagine (regioni di interesse, ROI) e viene acquisita un'immagine di una delle due aree non appena viene rilevato un cambiamento nell'altra area dell'immagine. La funzione dual-trigger consente invece di definire due valori diversi per il tempo di esposizione e il guadagno, che possono essere controllati indipendentemente l'uno dall'altro. L'auto-trigger e il dual-trigger sono inclusi in tutti i sensori di quarta generazione.
Questi esempi dimostrano che le funzioni delle generazioni precedenti di sensori vengono solitamente trasferite alla fase di sviluppo successiva, offrendo agli utenti ancora più opzioni.
Sensori più piccoli ad alta risoluzione
Un'altra tendenza importante nello sviluppo dei sensori è quella verso sensori sempre più piccoli con alta risoluzione. Ciò è reso possibile dalle dimensioni dei pixel sempre più ridotte, rese possibili dai progressi nei processi di produzione. Questa miniaturizzazione dei sensori consente anche di ridurre ulteriormente le dimensioni delle telecamere. Inoltre, in alcuni casi, è possibile ridurre il numero di telecamere utilizzate grazie alle risoluzioni più elevate. Di conseguenza, diventa possibile anche l'uso di sistemi di telecamere ottimizzati in termini di costi. Con i sensori Pregius, sono spesso necessari costosi obiettivi da 1", che possono essere sostituiti da obiettivi meno costosi ma altrettanto potenti con le dimensioni dei sensori più piccole della serie Pregius S. Ciò rende molto popolare l'uso di telecamere con sensori Pregius S.
Conclusioni
Le caratteristiche tecniche delle prime quattro generazioni IMX — Pregius, STARVIS e Pregius S — offrono agli sviluppatori e agli utenti in numerosi campi di applicazione (come l'elaborazione industriale delle immagini) ampie opzioni in termini di risoluzioni, velocità e funzioni disponibili. Grazie ai costanti sviluppi, si può presumere che la prossima generazione di sensori offrirà possibilità tecniche ancora più ampie.
