Все про сенсоры изображения CMOS Sony IMX

1. Давайте поближе познакомимся с промышленными КМОП-матрицами Sony, которые используются в датчиках серии Pregius.

Датчики серии Pregius от Sony - это CMOS (КМОП-сенсоры), но они основаны на структуре (ПЗС-матрицы CCD), которую Sony совершенствовала десятилетиями и которая принесла ей исключительный успех. Но Sony больше не могла сопротивляться тенденции использования КМОП-сенсоров рус обозначение в промышленной обработке изображений.

1.2: Первое поколение

Датчики изображения, входящие в серию Pregius от Sony, представляют собой устройства, созданные по технологии CMOS, но с архитектурой, схожей с датчиками CCD, которые компания Sony разрабатывала на протяжении десятилетий которые принесли ей огромный успех. Однако компания Sony больше не могла игнорировать растущую тенденцию к использованию CMOS-датчиков в области промышленной обработки изображений.

1.1 Структура

Чтобы обеспечить высокое качество изображения в новых КМОП-устройствах, компания Sony создала глобальный затворный пиксель для своей линейки Pregius. Этот пиксель не только соответствует, но и превосходит характеристики более ранних ПЗС-пикселей, отличавшихся низким уровнем шума.

В своих технологиях Sony использовала ранее технологию Exmor, (Также есть Exmor -R Exmor-RS фото техника это разная линейка разработанная для различных приложений при этом все сенсоры изображения разработанные и принадлежащие Sony имеют буквенный индекс IMX). И так Sony технология Exmor - которая преобразует аналоговый сигнал с низким уровнем шума в цифровой непосредственно во время параллельного столбчатого считывания пикселей. Это не только улучшает шумовые характеристики, но и значительно увеличивает скорость работы. Эта серия была разработана для промышленной обработки изображений и поэтому обеспечивает короткое время экспозиции и точное срабатывание с очень небольшими задержками и превосходную эффективность.

Рассмотрим как пример сенсоры изображения  IMX174 и IMX249. Они обладают шагом пикселей 5,86 мкм и разрешением 1920 x 1200 пикселей. Это делает их уникальными среди старых ПЗС-матриц Sony, так как они не имеют аналогов в соотношении 1:1.

Оба сенсора демонстрируют подход Sony, который заключается в предоставлении двух различных датчиков, основанных на одном типе пикселей, но с разными скоростями и характеристиками. Более простые версии сенсоров предлагаются по более низкой цене.Что касается качества изображения, то различия между сенсорами незначительны.

1.2 Первое поколение

В качестве иллюстрации рассмотрим модели CMOS IMX первого поколения. Эти датчики отличаются от своих предшественников, датчиков CCD Sony, тем, что их пиксельный шаг составляет 5,86 мкм, а разрешение — 1920 x 1200 пикселей.

Оба датчика представляют собой уникальные продукты, демонстрирующие подход Sony к созданию датчиков. Компания предлагает два различных датчика, которые используют один и тот же тип пикселей, но имеют разные характеристики и скорость работы. Более доступная версия каждого датчика предлагается по более низкой цене, при этом качество изображения незначительно отличается от более дорогих версий.

1.3  Второе поколение 

В новом поколении линейки Pregius компания Sony уменьшила размер пикселя до 3,45 микрометров.

Этот пиксель демонстрирует иное поведение при преобразовании света в электроны. Его характеристики квантовой эффективности (QE) сильно отличаются от характеристик первого поколения.

На рисунке 2 показано сравнение квантовой эффективности датчиков PREGIUS двух поколений. В качестве примера для первого поколения взят датчик acA1920-50gm (IMX174), а для второго — acA2440-20gm (IMX264).

В области более высоких частот наблюдается незначительное смещение пика кривой, что свидетельствует о различиях в свойствах пикселей.

Также можно заметить, что пиксели имеют различный дизайн, что отражается в разных показателях EMVA 1288.

В сравнении с датчиками, которые были разработаны ранее, у которых размер пикселей больше, чувствительность датчиков нового поколения снижается. Это приводит к тому, что полученные данные становятся более типичными для КМОП-датчиков.

Однако эти датчики также используют технологию Exmor, и, как можно увидеть из таблицы, они демонстрируют превосходные результаты по уровню шума.

1.4 Особенности работы

Серия Pregius также создана для использования в промышленности при обработке изображений. Она позволяет настраивать небольшие области интереса (ROI), что ускоряет обработку и снижает нагрузку на данные. Это особенно актуально для приложений, где требуется тщательная проверка небольших участков изображения, например, на печатных платах. В процессе контроля печатных плат некоторые элементы являются ключевыми для обеспечения работоспособности устройства.

2. Сенсоры серии CMOS Sony STARVIS созданная на основе светочувствительной BSI платформе вместо стандартного CMOS с фронтальной засветкой пикселя FSI 

Серия STARVIS — это инновационное поколение датчиков. В неё входят датчики CMOS, поэтому в их названии присутствуют буквы IMX.

Сенсоры STARVIS были разработаны в 2015 году и изначально использовались исключительно в системах видеонаблюдения справочно с 2020 года Sony предложил технологию STARVIS2 что явилось продолжением развития платформы BSI2. Они были доступны только в виде цветных датчиков.

Однако теперь всё изменилось. Появились новые монохромные модели, которые также представляют интерес для систем видеонаблюдения и автоматизации производства.

Таким образом, датчики STARVIS используются не только в видеонаблюдении, но и в промышленной обработке изображений.

2.1 Серия STARVIS включает в себя датчики тип Rolling Shutter с очень маленькими элементами, размер которых составляет до 1,85 мм. В основе этой серии лежат датчики IMX178 и IMX226, например:

Особо главным и важным аспектом рассмотрения этой линейки сенсоров изображения является то, что они имеют обратную подсветку BSI.

2.1.1 Обратная подсветка технологический прорыв светочувствительная платформа BSI

При меньших размерах пикселей традиционный способ изготовления датчиков очень затрудняет сбор достаточного количества света. Причина в том, что те части пикселя, которые не участвуют в улавливании света, такие как усилители или аналого-цифровые преобразователи, обычно монтируются на стороне датчика, которая подвергается воздействию света, что означает, что они занимают часть поверхности рядом со светочувствительным элементом поверхность каждого пикселя. Чем меньше пиксель, тем больше процент поверхности, которая не может быть использована для генерации электронов. В датчиках серии STARVIS с размерами пикселей доля таких практически “слепых” структур настолько велика, что квантовая эффективность при обычной конструкции была бы чрезвычайно низкой. Вот почему Sony использует трюк, который изначально был усовершенствован из-за спроса на постоянно растущее разрешение в индустрии смартфонов: подсветка задней панели. Хотя сенсор с “задняя панель” с подсветкой изготавливается в обычном режиме, что означает, что на поверхности чипа монтируются необходимые электронные структуры, затем датчик поворачивается таким образом, что собственно усилитель и вычислительная электроника перемещаются на заднюю панель датчика. Светочувствительная часть сенсора теперь расположена спереди. Это означает, что светочувствительные чип-структуры и вспомогательные чип-структуры больше не конкурируют за общую поверхность, так что светочувствительная часть может быть больше без вмешательства в работу вычислительной электроники. Этот трюк на самом деле позволяет использовать почти всю поверхность пикселя для фотоэлектрической реакции.

Рисунок 3: Сравнение фронтальной и задней подсветки

Sony сочетает эту технологию с преимуществами считывания данных с низким уровнем шума и высокой скоростью работы серии Exmor и называет эту комбинацию Exmor R. Модели серии STARVIS оснащены только датчиками, основанными на этой технологии, а также были слегка оптимизированы для длин волн ближнего инфракрасного диапазона, что позволяет получать качественные изображения при наблюдении даже ночью.

2.1.2 Функции

Датчики IMX178 и IMX226 были разработаны для работы в зоне наблюдения.  С точки зрения промышленной обработки изображений, это связано с некоторыми функциональными ограничениями. Датчики, как правило, предназначены только для автономной работы или непрерывной записи изображений. Настройка отдельных изображений, как это обычно делается при заводской автоматической съемке, не входила в первоначальную задачу.

Аналогично, датчики, и в частности 12–мегапиксельная камера IMX226 – были разработаны только для работы с полным или почти полным полное разрешение (4k).  Это не позволяет добиться увеличения скорости при одновременном снижении рентабельности считывания, что обычно используется при промышленной обработке изображений.

2.2 EMVA1288

Однако технология обратной подсветки позволила Sony добиться превосходных значений EMVA для таких маленьких пикселей:

Рисунок 4: Квантовая эффективность acA3088-16gm (IMX178), применяемая на длине волны

3. Сравнение чувствительности сенсоров 

Чувствительность сенсоров заслуживает особого внимания, поскольку Sony считала ее приоритетной в серии STARVIS весь модельный ряд STARVIS разработан целенаправленно для приложений безопасности камеры наблюдения. Чувствительность в данном случае означает, какое количество света или фотонов требуется датчикам для генерации сигнала, который выделяется на фоне шума Sony предложил для сенсоров изображения количественный индекс Sony SNR1s=lux это позволяет легко определить чувствительность сенсора изображения но это только для поддержки STARVIS и STARVIS2. Рассмотрим на примере стандарт EMVA 1288 предлагает измеренное значение “абсолютного порогового значения чувствительности”. В нем указано среднее количество необходимых фотонов, чтобы отношение сигнал/шум было равным ровно 1.

Обзор абсолютного порогового значения чувствительности

Из этого можно сделать вывод, что датчики второго поколения серии Pregius EXMOR и особенно Pregius S разработанный уже на основе BSI технологии являются чувствительными как  STARVIS и обновленная серия STARVIS2, 

4. В чем заключаются ключевые различие?

Одно из ключевых различий, которое также влияет на выбор подходящих приложений, — это, вероятно, разница между затвором STARVIS и Pregius. ROLING SHUTTER не позволяют перемещать объект с быстрой скоростью в кадре так как возникает деформация объекта и это критично для применения таких камер во многих приложениях, поскольку это может привести к существенному искажению изображения. Это устройства, которые мешают правильной обработке изображений.

Хорошим примером этого являются приложения на транспорте, такие как системы автоматического распознавания номерных знаков для взимания платы за проезд, а также системы контроля скорости движения или проезда на красный свет.

Ещё одно важное различие — это скорость срабатывания камер. Благодаря датчикам Pregius и  особенно Pregius S  они срабатывают намного быстрее и точнее, чем в серии STARVIS. Это позволяет использовать их в приложениях, где требуется точное срабатывание, например, в 3D-приложениях или приложениях с несколькими камерами, где изображения потом редактируются вместе.

Примерами таких приложений могут служить проверки бутылок, спортивные анализы или автоматизированный оптический контроль (AOI) печатных плат.

Рисунок 5: Различия во времени считывания показаний

В настоящее время датчики Pregius всё чаще применяются в качестве инновационной и перспективной альтернативы устаревшим ПЗС-датчикам.

Например, 5-мегапиксельные модели IMX264 и IMX250 могут стать заменой ПЗС-матрицы IМX625, а IMX267 и IMX255 — ICX824. Полученные в результате камеры можно использовать для различных усовершенствований или в качестве запасных, не требуя значительных изменений в оптической настройке системы.

В отличие от предыдущей линейки EXMOR, датчики STARVIS и STARVIS2 демонстрируют явную экономию. Они могут быть привлекательны для тех, кто не придаёт значения упомянутым недостаткам, поскольку обеспечивают превосходное качество изображения даже при незначительном движении.

Благодаря уменьшению размеров пикселей, датчики также обеспечивают более высокое разрешение при меньших габаритах сенсоров, что влияет на доступность таких камер по цене. Однако при выборе оптики необходимо учитывать этот фактор, поскольку она также должна иметь отличную светосилу, чтобы не ухудшить характеристики чувствительности камеры.

5. Краткое заключение

Датчики IMX не являются идентичными. Даже в рамках одной линейки Pregius можно обнаружить значительные различия в конструкции и функциональности датчиков разных поколений.

Эти различия становятся ещё более очевидными при сравнении линейки Pregius с датчиками STARVIS и STARVIS2. Поэтому крайне важно тщательно анализировать требования к применению и рабочие характеристики различных датчиков.

Однако все датчики IMX объединяет одно: они обеспечивают превосходное качество изображения, которое теперь подтверждено и Sony — ведущим производителем высококачественных КМОП-систем.