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哪種 CMOS 感光元件最適用於我的應用？

在影像處理中，CMOS 感光元件已經大量取代 CCD 感光元件。近年來更為現代化的技術發展十分快速，而身為主要 CMOS 感光元件製造商之一的 Sony，扮演十分重要的角色。IMX 系列機型是最常用於工業相機的感光元件。系列機型是最常用於工業相機的感光元件本文解釋 Sony Pregius、STARVIS 和 Pregius S 各種不同 IMX 機型系列彼此的差異。

不過幾年之前，CCD 技術在工業影像處理相機中的佔比是最大的。當時 CMOS 感光元件看來很有前途，但還未成熟，即使是專家也未能預見對已經站穩腳步的 CCD 感光元件，CMOS 會立即帶來強烈的競爭。

轉變發生在 Sony 這家最重要的國際感光元件製造商，宣佈自 2015 年起不再生產 CCD 後，就預示了 CCD 時代在工業影像處理和許多其他領域的結束。約在兩年前，該公司推出名為 IMX 的第一代全新 CMOS 感光元件系列 (目前已到第四代)，其寬廣的動態範圍立刻技驚四座。這些仍可供貨的感光元件，帶來更短的曝光時間，提供影像處理所需的觸發與讀出選項，其出眾的影像品質超越相同價格區間的感光元件競品。

IMX 感光元件具備高影像品質的一個原因，在於 Sony 稱為 Exmor 的特殊技術；當讀取畫素時，由感光元件記錄的類比訊號會經過降噪後，直接轉換成數位訊號。這種做法讓 IMX 感光元件和其他製造商的產品產生差異化，不只改善雜訊品質，同時也提高取像速度。

感光元件另一個重要功能是快門，其功能對應到傳統相機中的光圈；該功能在感光元件的電子電路中實作出來。在工業影像處理中，有兩個不同的概念：
在滾動快門感光元件中，畫素是一行接一行進行曝光。在有物體移動中的應用，這種方式會導致感光元件的線條延時曝光，且依檢測條件的不同，可能造成擷取影像出現不應出現的失真。

全域快門感光元件的運作方式則不同：所有畫素在同一時間進行曝光，因此確保在交通應用中，移動檢測物品或車輛的擷取影像不會發生失真。

此外，Sony 的開發者在其第一代 IMX 中整合了多種功能，對工業影像處理應用帶來非常大的優勢。這些功能包括定義較小關注區域 (ROI) 的能力。這種感光元件讀取區域的限制，可以提高影像擷取速度，也能降低影像資料傳輸的大小。當只有被檢測物體的部分區域需要檢視時，就可利用這個功能。

IMX174 和 IMX249 是第一代 IMS 感光元件的名稱，也稱為 Pregius。這類全域快門感光元件的方型畫素，邊長為 5.68 µm，解析度為 1920 x 1200 畫素，差別在於速度：IMX249 的取像速度可達 41 fps (每秒畫面張數)，而高速版 IMX174 的取像速度則高達 166 fps。

對於只需 230 萬畫素就足堪工作使用的應用來說，採用 IMX174 與 IMX249 感光元件的相機，由於其高飽和度、高訊噪比與令人驚艷的動態範圍，在今天依然是完美的選擇。

第二代 IMX 感光元件帶來可用解析度的顯著提升。

第二代 IMX 感光元件帶來可用解析度的顯著提升。

第二代 IMX 的畫素變小

Sony 將第二代 IMX 感光元件的畫素大小縮小為 3.45 µm x 3.45 µm，於 2016 年底推出解析度達 300 萬畫素的 IMX252、IMX265；500 萬畫素的 IMX250、IMX264；900 萬畫素的 IMX255、IMX267；1200 萬畫素的 IMX253、IMX304。這些感光元件同時帶給用戶全域快門的優點，同時使用了 Exmor 技術以達出眾的影像品質。在速度方面，標準第二代機型 (IMX265, IMX264, IMX267 and IMX304) 在 23 到 56 fps 之間，而高速版可達 68 到 216 fps。

和第一代 IMX 感光元件相比，第二代在飽和度方面有很大的不同，明顯比前一代的數值要低，但仍在其他廠商生產的 CMOS 感光元件範圍內。但 Sony 能將類似感光元件格式的解析度幾乎提高三倍，從而彌補該缺點。

STARVIS 感光元件採用背照式技術

Sony 在 STARVIS 系列中提供一種強大的感光元件技術，這項技術在一開始時只存有一些不同的色彩差異，且主要用在交通監控上。在推出黑白 STARVIS 機型後，這類感光元件在工廠自動化應用中愈來愈受歡迎。Sony 這一系列的感光元件是和 Pregius 系列同時開發的，一開始時只提供滾動快門，但之後也提供全域快門。STARVIS 感光元件也標有 IMX 這個縮寫，其方型畫素邊長在 1.85 µm 到 3.76 µm 之間。

STARVIS 和 Pregius 第一代與第二代之間最重要的差別，就是 STARVIS 具備滾動快門與背照式技術。這種感光元件的設計又稱為 BSI，是 Sony 的成熟作品，優雅地解決了一個問題：STARVIS 感光元件的畫素非常小，邊長僅有 1.85 µm。畫素尺寸這麼小，造成感光元件上可用來受光的區域，和必須的電子元件如放大器或 A/D 轉換器的比例是不利的。如果非感光部分的比例增加，感光元件的光電效率就會變差。

Sony 把放大器與評估電路放到感光元件的背側，而不是按照傳統放在前側 (這種設計稱為前照式感光元件 FSI)，因而避免了這個問題。感光元件前側只有用來感光的部分。這種方法讓整個畫素區域都可以用來進行光電反應，同時減少了來自電子元件的反射光。此外，BSI 感光元件的感光面比傳統 FSI 設計要高，也改善成像效能。

前照式 (FSI) 感光元件與背照式 (BSI) 的比較

在FSI晶元（左圖）中，線路位於光敏圖元區域上方。光線到達光電二極管之前必須通過某種類似「隧道」的結構，並且部分光線會受到電子元件的反射。在BSI技術（右圖）中，則可實現在光電二極管下方佈線。

在左側的 FSI 感光元件，其布線位於感光畫素區域之上。光線必須通過某種「隧道」才能觸及光電二極體，且有一部分會被電子元件所反射。右側的 BSI 技術，布線置於光電二極體的下方。

比較由 EMVA 1288 標準定義的絕對感光度閾值，亦即平均要有多少光線 (光子) 才能讓感光元件產生足以和雜訊有別的訊號，就可以看出這樣做的效果。第一代 Pregius 感光元件的數值為 10，而第二代 Pregius 機型達到 3；STARVIS 感光元件則達到 4。

Pregius S 是最新推出的第四代

2020 年，Sony 推出目前最先進的感光元件世代，稱為 pregius S，具備 2.74 µm x 2.74 µm 的畫素尺寸，解析度在 510 萬到 2450 萬畫素之間。標準型號 IMX540、IMX541、IMX542、IMX545、IMX546 和 IMX547 的取像速度在 35 到 122 fps 或每秒最高 870 MP，而高速型號 IMX530、 IMX531、IMX532、IMX535、IMX536 和 IMX537，其取像速度達到了令人驚歎的 106 到 259 fps 或每秒最高 2600 MP，因此能夠用來檢測移動非常快速的物品。

Pregius S 感光元件結合了為 STARVIS 系列開發的 BSI 技術優點，以及前兩代 Pregius 系列的全域快門，並繼續活用 Exmor 降噪的優勢。

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應用決定了

哪種 CMOS 感光元件最適合的應用，由現有的工作來決定。在此，決定條件之一，是所使用的相機與其感光元件的觸發速度：如果要拍攝快速移動物體的影像，觸發就必須盡可能快速而精確。在此，Pregius 感光元件的數字比 STARVIS 系列感光元件更為優秀：Pregius 感光元件觸發和讀出影像之間的時間只有約 20 µs ，而 STARVIS 感光元件則是 450 µs 或以上。因此，如果精確執行觸發器對於影像品質非常重要的話，配備 Pregius 感光元件的相機，就是這類應用的最佳選擇。來自產業的案例，包括檢測移動非常快速的物體（如瓶子或印刷電路板），以及運動中的動作分析。3D應用或使用多相機系統的應用，也能受惠於 Pregius 相機的高觸發速度和精確性。

用戶經常尋找具備和 CCD 技術相當特性的 CMOS 相機適用替代方案。由於經濟因素，選擇具備 CMOS 感光元件的相機是十分合理的，因為僅需對即有光源與光學設定進行最小程度的調整。Pregius 感光元件格式較 STARVIS 系列更加類似早期的 CCD 相機，更加適用於這類需求為廿其重點的應用。例如，5 MPIMX264 和 IMX250 這兩種 Pregius 系列感光元件的功能，能夠完美取代廣泛使用的 ICX625 CCD 感光元件。配備 ICX824 CCD 感光元件的相機，可以毫不費力地以具備 8.9 MP 的 Pregius 版本機種如IMX267 和 IMX255 來替換，無需進行系統光學設定的大幅調整。

另一方面，， STARVIS 感光元件和 Pregius 系列相比，具有明顯的成本優勢。如果目標是要進行檢測，而不需要錄下動態影像，STARVIS 相機的滾動快門幾乎不會造成影響。由於其畫素尺寸很小，這類感光元件的尺寸較小，但解析度很高；不過在選擇光學配件時一定要考慮這一點。

趨勢

近年來的感光元件發展趨勢，顯示出新機種會有更多不同的功能。以第二代 Pregius 為例，Sony 推出多種曝光觸發器，單一觸發器可以多次觸發以擷取多張影像，因此單一物體可以用不同亮度來拍攝。因此，可以選用拍得最好的影像來進行後續的影像評估。第三代與第四代都提供此功能。

第三代還有兩項創新，在其高速感光元件中推出所謂的自我觸發器和雙重觸發器。透過自我觸發器，可定義兩個不同的影像區域 (關注區域, ROI)，當在另一個影像區域中偵測到變化時，可以立即在兩個區域其中一個來拍攝影像。另一方面，雙重觸發器功能可以定義兩組不同的曝光時間與增益，且可相互獨立控制。所有第四代感光元件都有自我觸發器與雙重觸發器功能。

這些範例顯示前一代感光元件的功能，經常會延續到下一代，提供用戶更多的選擇。

另一個重要趨勢是感光元件的發展，正在朝向具備更高解析度的更小感光元件。由於先進的製造過程，因此能做出更小的畫素尺寸。感光元件小型化，使得相機的尺寸也能進一步縮小。此外，因為解析度的提升，在某些案例中也可以減少相機的使用數量。結果也讓成本最佳化的相機系統變得可以使用。使用 Pregius 感光元件，往往必須搭配成本較高的 1" 鏡頭；但如果使用感光元件較小的 Pregius S，即可使用沒那麼貴但威力同樣強大的鏡頭來作為替代。這使得採用 Pregius S 感光元件的相機變得非常受歡迎。

結論

身為全球最重要的感光元件製造商，Sony 不斷致力於 CMOS 技術的開發，因而終結了 CCD 感光元件與其相機的時代。Pregius、STARVIS 和 Pregius S 等四代 IMX 的技術特色，讓各種應用領域的開發者與用戶，像是工業影像處理，擁有廣泛的解析度、速度和功能選擇。在持續不斷的進一步開發之下，下一世代的感光元件必定可以提供更廣泛的技術能力。

進一步了解搭載 Sony IMX 感光元件的 Basler 相機。