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對圖像傳感器來說,像素越多越大就越好嗎?

安森美 ? 來源:未知 ? 2023-04-08 00:35 ? 次閱讀

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本文作者:Geoff Ballew

圖像傳感器的應(yīng)用日益普及,特別是在安保、工業(yè)和汽車應(yīng)用領(lǐng)域,很多汽車現(xiàn)在都配備了至少五個以上基于圖像傳感器的攝像頭。但是,圖像傳感器技術(shù)不同于標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體技術(shù),存在著一些錯誤認(rèn)知。

摩爾定律和圖像傳感器

有些人假設(shè)著名的“摩爾定律”也適用于圖像傳感器。戈登·摩爾(Fairchild半導(dǎo)體公司的創(chuàng)始人,F(xiàn)airchild半導(dǎo)體現(xiàn)在是安森美(onsemi)的一部分)指出,集成電路 (IC) 上的晶體管數(shù)量每兩年增加一倍。為了將兩倍數(shù)量的晶體管放置在單個器件上,縮小晶體管是主要實現(xiàn)方式。這種趨勢已經(jīng)持續(xù)了數(shù)十年,但近年晶體管數(shù)量增長速度有所減緩。晶體管密度增大還導(dǎo)致單位晶體管成本降低,因而很多電子系統(tǒng)的功能越來越豐富多樣,但價格沒有上漲。

但圖像傳感器卻有所不同,因為它的一些重要部件不會隨著晶體管變小而擴增。具體來說,圖像傳感器光學(xué)元件比如光電二極管(將入射光轉(zhuǎn)換為電信號)和一些模擬元件(將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像)不能像數(shù)字邏輯元件那樣簡單地擴增。在傳感器中,圖像捕獲主要采用模擬技術(shù),由數(shù)字電路將來自每個像素的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像,這些圖像可以被存儲、顯示或用于人工智能機器視覺

如果像素數(shù)量每兩年增長一倍,同時鏡頭尺寸保持不變,那么像素將會變小,導(dǎo)致接收的光子更少。(想一下雨天的水桶,更小的水桶收集的雨滴更少)。因此,傳感器必須在單位面積靈敏度和降低噪聲方面表現(xiàn)更加出色,才能在低光照條件下生成同樣優(yōu)質(zhì)的圖像。如果不是出于產(chǎn)品的應(yīng)用場景需要,增加像素數(shù)量不僅沒有任何意義,還會導(dǎo)致帶寬和存儲空間被迫增加,使得系統(tǒng)其他部件的成本上升

像素大小

僅通過像素大小不足以確定像素性能。我們不能想當(dāng)然地假定更大的像素必定帶來更好的圖像質(zhì)量。盡管不同光照條件下的像素性能非常重要,而且像素越大,就有更大的面積來收集光,但這不一定能夠提高圖像質(zhì)量。另外還有多個因素也同樣重要,包括分辨率和像素噪聲指標(biāo)。

如果提高分辨率對應(yīng)用的影響大于減少單個像素的影響,那么像素較小的傳感器可能在性能上優(yōu)于相同光學(xué)面積下像素較大的傳感器。重要的是,要確保接收到光子數(shù)量的能力足以形成高質(zhì)量圖像,因而像素靈敏度(光電轉(zhuǎn)換效率)和應(yīng)用環(huán)境非常重要

在為應(yīng)用選擇傳感器時,像素大小是個考慮因素。但是,人們可能過于夸大了它的重要性;它只是多個參數(shù)中的一個,對于其他幾個參數(shù),也應(yīng)給予同樣的認(rèn)真考量。選擇傳感器時,設(shè)計人員必須考慮目標(biāo)應(yīng)用的所有要求,然后在速度、靈敏度、圖像質(zhì)量上找到理想平衡,以實現(xiàn)合適的設(shè)計解決方案。

split-pixel

在很多應(yīng)用中,盡可能地擴展動態(tài)范圍具有重要價值,有助于在最終圖像中正確渲染陰影和高光,但這對于圖像傳感器可能具有很大的挑戰(zhàn)性。有些公司采用了一種名為“split-pixel”的技術(shù),目的是解決為光電二極管創(chuàng)造更多容量的難題,以便在二極管“飽和”之前收集電子。

split-pixel方法中,專用于單個像素的傳感器區(qū)域被分為兩個部分:較大的光電二極管覆蓋大多數(shù)區(qū)域,較小的光電二極管使用剩余區(qū)域。較大的光電二極管收集更多光子,在明亮光照條件下很容易飽和。較小的光電二極管可以暴露更長時間而不會飽和,因為可用于收集光子的面積較小。可以形象地將它們類比為使用水桶和水瓶來收集雨滴。水桶通常是頂部比底部更寬,因而可以非常高效地收集雨滴,比水瓶更快地裝滿;而水瓶開口小,瓶身比較寬,收集起來比較慢。在低光照條件下使用更大的像素,在明亮光照條件下使用更小的像素,可以形成擴展的動態(tài)范圍。

圖 1:復(fù)雜的半導(dǎo)體,從光子到圖像輸出

安森美為單個像素增加了一個區(qū)域,讓多出來的信號或電荷能夠溢出到該區(qū)域,從而解決了上述問題。想象一下,我們使用水桶來接雨滴,然后有一個更大的盆來接住從水桶溢出的水。“水桶”信號易于讀取,具有很高的精度,因而我們能夠達到良好的低光照性能,更大的盆則容納了溢出的所有信號,從而擴展了動態(tài)范圍。這樣,整個像素區(qū)域用于低光照條件,而不會在明亮光照條件下出現(xiàn)飽和。飽和會降低圖像質(zhì)量,例如會使顏色失真,清晰度下降。安森美的超級曝光技術(shù)可在高動態(tài)范圍場景中提供更好的圖像質(zhì)量,適用于人眼視覺和機器視覺應(yīng)用cd5fd68a-d561-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

圖 2:XGS 16000是一款 1600 萬像素 CMOS 圖像傳感器

下次為您的設(shè)計選擇圖像傳感器時,要記住“更多更大并不一定更好”,至少對于像素來說是這樣。

點個星標(biāo),茫茫人海也能一眼看到我

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