Сравнение КМОП-сенсоров IMX от Sony
Содержание
Первые сенсоры IMX
Всего несколько лет назад светочувствительные сенсоры (матрицы) с технологией ПЗC занимали львиную долю рынка в сфере промышленной обработки изображений. На тот момент КМОП считалась многообещающей, но еще не вполне развитой технологией, в которой даже отраслевые эксперты не видели серьезной конкуренции для ПЗC.
Ситуация на рынке резко изменилась, когда в начале 2015 года корпорация Sony, которая является одним из ведущих международных производителей светочувствительных матриц, объявила о прекращении производства всех ПЗC-сенсоров, что ознаменовало конец эпохи технологии ПЗС в сфере промышленной обработки изображений и множестве других областей. Примерно двумя годами ранее Sony представила первое поколение своих новых КМОП-сенсоров IMX (на данный момент вышло уже четвертое), что вызвало небывалый резонанс по поводу их значительно более широкого динамического диапазона. Эти сенсоры, которые до сих пор находятся в продаже, позволяют выбирать минимальную длительность экспозиции, предлагают несколько вариантов триггера и считывания кадра, необходимые в компьютерном зрении, а также гарантируют безупречное качество изображения, которое превосходит качество изображения у аналогичных сенсоров в том же ценовом сегменте.
Что особенного в сенсорах IMX?
Технология Exmor как причина высокого качества изображения
Одной из причин высокого качества изображения у сенсоров IMX является особая технология Sony, которая называется Exmor. Она предусматривает преобразование аналогового сигнала, регистрируемого светочувствительным сенсором, после шумоподавления в цифровой сигнал непосредственно при считывании данных с пикселей. Этот метод отличает сенсоры IMX от сенсоров других производителей и не только способствует улучшению шумовых характеристик, но также позволяет добиться более высокой частоты кадров.
Глобальный затвор для снимков без искажений
Еще одной важной особенностью сенсора является затвор, который по функционалу соответствует диафрагме традиционной камеры и реализован на электронной схеме сенсора. В сфере промышленной обработки изображений применяются затворы двух типов. В сенсорах с технологией скользящего затвора экспозиция и считывание отдельных строк пикселей производится пиксель за пикселем, построчно. Это означает запаздывание в экспозиции отдельных строк, что, в зависимости от поставленной перед системой задачи, может привести к нежелательным искажениям на полученных изображениях при съемке движущихся объектов.
Сенсоры с технологией глобального затвора работают иначе: считывание всех экспонированных пикселей производится одновременно, что исключает искажение изображения при съемке движущихся объектов в системах контроля качества или транспортных средств в интеллектуальных транспортных системах.
Меньшая область наблюдения для повышения скорости съемки
В дополнение к этому, уже первое поколение сенсоров Sony IMX было наделено рядом несомненных преимуществ для промышленной обработки изображений. К ним относится возможность выбора на кадре меньших областей наблюдения (ROI). Выбор области наблюдения означает ограничение области считывания пикселей на сенсоре, что позволяет увеличить скорость получения изображений и сократить объем передаваемых данных. Эта функция пригодится, если для решения задачи контроля качества необходим анализ только определенных участков изображения.
Pregius — первое поколение сенсоров IMX
IMX174 и IMX249 К сенсорам IMX первого поколения, которое также известно как Pregius, относятся модели IMX174 и IMX249. Это сенсоры с технологией глобального затвора, квадратными пикселями 5,68 × 5,68 мкм и разрешением 1920 × 1200 пикселей. Их основное различие заключается в скорости съемки: IMX249 поддерживает скорость съемки 41 кадр в секунду, а его высокоскоростной собрат IMX174 достигает впечатляющих 166 кадров в секунду. В системах, где для решения поставленной задачи достаточно разрешения 2,3 Мп, камеры с сенсорами IMX174 и IMX249 и сегодня будут прекрасным выбором ввиду их высокой емкости насыщения, отличного соотношения «сигнал — шум» и впечатляющего динамического диапазона.
Второе поколение IMX с более миниатюрными пикселями
В сенсорах IMX второго поколенияSony уменьшила размер пикселя до 3,45 × 3,45 мкм и представила модели с разрешением 3 Мп (IMX252 и IMX265), 5 Мп (IMX250 и IMX264), 9 Мп (IMX255 и IMX267) и 12 Мп (IMX253 и IMX304) во второй половине 2016 года. Эти сенсоры также предлагают все преимущества глобального затвора и технологии Exmor, которые гарантируют безупречное качество изображения. Что касается скорости съемки, стандартные модели второго поколения (IMX265, IMX264, IMX267 и IMX304) обеспечивают от 23 до 56 кадров в секунду, тогда как высокоскоростные модели — от 68 до 216 кадров в секунду.
Сенсоры IMX второго поколения значительно отличаются от первого поколения по емкости насыщения, которая явно ниже, чем у предшественников, но все еще в пределах значений, демонстрируемых КМОП-сенсорами других производителей. Тем не менее этот недостаток перевешивает тот факт, что Sony удалось почти в три раза превысить возможное разрешение по сравнению с другими сенсорами такого формата.
Сравнение сенсоров IMX первого и второго поколений
Сенсор | IMX174 и IMX249 | IMX252 и IMX256 | IMX250 и IMX264 | IMX255 и IMX267 | IMX253 и IMX304 |
|---|---|---|---|---|---|
Разрешение [Мп] | 2,3 | 3 | 5 | 9 | 12 |
Разрешение [пикселей * пикселей] | 1920*1200 | 2048*1536 | 2448*2048 | 4112*2176 | 4112*3008 |
Формат сенсора ["] | 1/1,2 | 1/1,8 | 2/3 | 1 | 1,1 |
Размер пикселя [мкм] | 5,68 | 3,45 | 3,45 | 3,45 | 3,45 |
Макс. частота кадров @Basler | 164 | 120 | 75 | 40 | 30 |
Возможное разрешение у сенсоров IMX второго поколения значительно выше.
Сенсоры STARVIS с обратной засветкой
Семейство STARVIS — это высокопроизводительные сенсоры, разработанные Sony уже некоторое время назад, которые изначально предлагались для цветной съемки и использовались преимущественно в видеонаблюдении. После того как были представлены монохромные модели STARVIS, эти сенсоры стали представлять все больший интерес для автоматизации производства. Это семейство сенсоров от Sony разрабатывалось параллельно с линейкой Pregius, и сначала в нем были представлены только модели со скользящим затвором, однако позднее появились и варианты с глобальным затвором. Сенсоры STARVIS также маркированы аббревиатурой IMX и оснащены квадратными пикселями с длиной стороны от 1,85 до 3,76 мкм.
Сравнение STARVIS и Pregius
Наиболее важными отличительными особенностями сенсоров STARVIS по сравнению с сенсорами Pregius первого и второго поколений являются скользящий затвор и архитектура обратной засветки.
Сравнение сенсоров с архитектурой фронтальной и задней засветки (IMX)
Архитектура обратной засветки, также известная как BSI (Back-Side Illumination), — это новая разработка Sony, которая элегантно решает проблему высокого разрешения. В семействе STARVIS представлены сенсоры с пикселями буквально микроскопического размера (до 1,85 мкм), но когда используются такие миниатюрные пиксели, не удается выдерживать приемлемое соотношение между площадью сенсора для размещения светочувствительных пикселей и необходимых электронных компонентов, таких как усилители сигнала или аналогово-цифровые преобразователи. При увеличении площади, занимаемой несветочувствительными компонентами, снижается квантовая эффективность сенсора.
Чтобы преодолеть эту ситуацию, Sony разместила все электронные компоненты для усиления и анализа сигнала на тыльной стороне сенсора, тогда как в традиционных сенсорах c так называемой архитектурой фронтальной засветки FSI (Front-Side Illumination) эти компоненты находятся на фронтальной стороне. В новой архитектуре на фронтальной стороне сенсора размещаются только светочувствительные элементы. В результате практически вся площадь сенсора освобождается под пиксели для формирования фотосигнала и уменьшается количество отражаемого от электронных компонентов света. Кроме того, светочувствительная поверхность сенсора с архитектурой BSI находится выше, чем в сенсорах с традиционной архитектурой FSI, что также способствует улучшению его характеристик.
Пороговая чувствительность
Результаты можно увидеть при сравнении абсолютного порога чувствительности, который определяется в стандарте EMVA1288 как количество света, т. е. количество фотонов, необходимое сенсору в среднем для генерирования сигнала, достаточно отличимого от шума. Это пороговое значение составляет 10 для сенсоров Pregius первого поколения, тогда как в сенсорах Pregius второго поколения это значение достигает 3, а в сенсорах STARVIS — 4.
STARVIS | Pregius первого поколения | Pregius второго поколения | |
|---|---|---|---|
Абсолютный порог чувствительности | 4 | 10 | 3 |
Pregius S — современное четвертое поколение
В 2020 году Sony представила свое самое передовое на данный момент поколение сенсоров — Pregius S с размерами пикселя 2,74 × 2,74 мкм и разрешением от 5,1 до 24,5 мегапикселей. Стандартные модели IMX540, IMX541, IMX542, IMX545, IMX546 и IMX547 предлагают скорость съемки от 35 до 122 кадров в секунду или до 870 мегапикселей в секунду, тогда как с высокоскоростными моделями IMX530, IMX531IMX532, IMX535, IMX536 и IMX537 можно добиться скорости съемки от 106 до 259 кадров в секунду или до 2600 мегапикселей в секунду, что позволяет проводить контроль качества объектов, перемещающихся на очень большой скорости.
Сенсоры Pregius S объединяют в себе преимущества архитектуры BSI, разработанной для семейства STARVIS, с глобальным затвором, представленным в первых двух поколениях Pregius, и все также основаны на технологии шумоподавления Exmor.
Какой сенсор IMX выбрать?
Задачи
То, какой из КМОП-сенсоров лучше всего подойдет для конкретной системы, зависит от поставленной задачи. Одним из решающих критериев является скорость срабатывания камеры и установленного в нее сенсора: если планируется съемка быстродвижущихся объектов, необходимы высокая скорость и точность срабатывания. В этом случае сенсоры Pregius демонстрируют более высокие характеристики по сравнению с сенсорами STARVIS: промежуток времени между отправкой сигнала срабатывания и считыванием кадра в сенсорах Pregius составляет всего 20 мкс, тогда как в семействе STARVIS это значение может достигать 450 мкс и выше. По этой причине камеры с сенсорами Pregius лучше подойдут для систем, где точность срабатывания является критичной для качества изображения. В качестве примеров можно привести контроль качества быстродвижущихся объектов, например бутылок или печатных плат на производстве, а также анализ движений в спортивной сфере. В 3D-системах и системах с несколькими камерами высокая скорость и точность срабатывания камер с сенсорами Pregius также будет преимуществом.
Сенсоры IMX как замена ПЗC-сенсоров
Нередко возникает потребность найти для существующей системы подходящую замену среди КМОП-камер, которые имеют характеристики, приближенные к технологии ПЗC. В целях экономии имеет смысл выбрать камеру с таким КМОП-сенсором, для которого потребуются минимальные изменения в существующей осветительных и оптических компонентах системы. Оптический формат сенсоров Pregius точнее соответствует ранним камерам на базе технологии ПЗС по сравнению с семейством STARVIS, а значит, эти сенсоры лучше подойдут для систем, где этот критерий является особенно важным. Так, сенсоры Pregius IMX264 и IMX250 разрешением 5 Мп станут отличной заменой широко используемому ПЗC-сенсору ICX625. Камеры, оснащенные ПЗC-сенсором ICX824, можно с небольшими затратами заменить на камеры с сенсорами Pregius IMX267 и IMX255 разрешением 8,9 Мп, без необходимости вносить существенные изменения в оптические компоненты системы.
Экономические преимущества
Сенсоры STARVIS, с другой стороны, предлагают очевидное ценовое преимущество по сравнению с сенсорами Pregius. Если не требуется съемка непрерывно движущихся объектов, скользящего затвора в камерах с сенсорами STARVIS будет достаточно. Ввиду того, что эти сенсоры содержат пиксели миниатюрного размера, можно добиться высокого разрешения при использовании сенсоров меньшего оптического формата, однако этот фактор необходимо учитывать при выборе оптики.
Тенденции развития серии IMX
Новые возможности
В последние годы в технологиях светочувствительных матриц наблюдается тенденция к разработке и добавлению в новые модели разнообразных функций. Так, Sony во втором поколении сенсоров Pregius представила функцию триггера экспозиции разной длительности, которая отвечает за съемку серии кадров с разной экспозицией по одному сигналу триггера, что позволяет получать несколько изображений объекта с разной освещенностью. Из этих изображений затем можно выбрать наиболее оптимальное для дальнейшего анализа. Эта функция также доступна в сенсорах третьего и четвертого поколений. Кроме того, в качестве примера можно привести две инновации в третьем поколении, когда в высокоскоростных моделях сенсоров были представлены так называемые функции самостоятельного и двойного триггера. Самостоятельный триггер используется, когда определены два отдельных участка изображения, которые называются областями наблюдения (Region of Interest, ROI), и необходимо сделать кадр одной из них, если в другой обнаружено изменение. Функция двойного триггера, с другой стороны, предлагает возможность установки двух различных значений длительности экспозиции и цифрового усиления, которые можно изменять независимо друг от друга. Функции самостоятельного и двойного триггера предусмотрены в сенсорах четвертого поколения.
Эти примеры демонстрируют, что функции, представленные в предыдущих поколениях сенсоров, обычно переносятся в следующее поколение, что является несомненным преимуществом.
Сенсоры небольшого формата с высоким разрешением
Еще одной важной тенденцией в разработке сенсоров является уменьшение оптического формата при одновременном увеличении разрешения. Это достигается за счет уменьшения размеров пикселя, что стало возможным благодаря новейшим достижениям в производственных процессах. Такая миниатюризация сенсоров означает возможность дальнейшего уменьшения размеров камер. Кроме того, увеличение разрешения в ряде случаев позволяет сократить необходимое количество камер. В результате также становится возможным сократить общую стоимость системы. Для сенсоров Pregius обычно необходимы дорогие объективы формата 1", которые можно заменить менее дорогими, но такими же высокопроизводительными объективами в случае выбора сенсоров из семейства Pregius S меньшего оптического формата. Именно поэтому камеры с сенсорами Pregius S так популярны.
Резюме
Технические характеристики первых четырех поколений сенсоров IMX (Pregius, STARVIS и Pregius S) предлагают разработчикам и пользователям в самых разных сферах, в том числе в промышленной обработке изображений, широкие возможности с точки зрения разрешения, скорости съемки и дополнительных функций. Ввиду непрерывно продолжающихся разработок можно предположить, что следующее поколение сенсоров будет наделено еще более широкими техническими возможностями.
