1.概述

1980年，索尼推出了第一臺CCD彩色相機。直到2013年，索尼刷新了傳感器領域市場的布局，推出了全球首款快門CMOS傳感器Pregius IMX174, 1/1.2″2.3 MP。索尼首款Pregius傳感器將全球快門CCD圖像質量與CMOS高速幀率結合在一起，創造了成像性能的新標準。

隨著首款Pregius IMX174傳感器的成功，索尼從傳統的CCD轉向更先進的CMOS傳感器。第二代Pregius傳感器包括3.2 MP IMX265和5.0 MP IMX264。第一代Pregius傳感器尺寸為1/1.2 "，像素尺寸為5.86 μm。相比之下，第二代傳感器尺寸更小，為3.45 μm。尺寸越小允許兼容的鏡頭更具有成本效益。隨著索尼在STARVIS系列中改進其滾動快門CMOS技術，使得Pregius仍然是全球快門CMOS性能方面的前列。

隨著每年新技術的推出，索尼專注于消費者，以降本和高性能為目標，不斷通過提高圖像質量，幀率和增加功能進行創新。在索尼的Pregius系列中，Lucid產品在保持訪問的功能下推動了數字成像的極限。要了解使用索尼Pregius全局快門CMOS傳感器的機器視覺相機的好處，必須先了解索尼數字成像技術的基本組成部分。

2.在Pregius系列之前:滾動快門CMOS傳感器是如何工作的

在索尼發布Pregius系列的全球快門CMOS傳感器之前，他們的CMOS傳感器使用滾動快門技術進行傳感器讀取。與CCD相比，CMOS滾動快門技術具有成本效益高，高質量成像和高幀速的特點。不過當目標或相機處于運動狀態，則捕獲的圖像會有圖像抖動、傾斜或條帶等失真問題。這種失真是由于滾動快門傳感器一次一行地曝光讀出像素導致的。一個傳統的索尼CMOS卷簾門工作流程如下圖所示。

圖1:傳統的索尼CMOS滾動快門像素管道

上圖顯示了索尼CMOS滾動快門圖像傳感器傳統像素的工作流程。光電轉換(用量子效率測量)發生在光電二極管中，電子在浮動擴散節點轉換為電壓(電壓是電荷(q)除以電容(C))，之后電信號被轉換成數字信號。在這一階段，信號經過2級相關雙采樣(CDS)來減少模擬和數字噪聲，這個過程被稱為“雙cd”，是索尼為了減少隨機和固定模式噪聲的解決方案。

圖2:帶列并行A/D轉換的滾動快門讀數

上圖是一個簡化的動畫，展示了傳統索尼滾動快門CMOS傳感器讀取圖像數據的過程。每個像素列使用一個獨立的ADC(模數轉換器)高速讀出。每個像素行都暴露在光下，電荷一次一行地發送進行模擬到數字轉換，正是這種逐行曝光的情況導致CMOS在高速運動時會產生圖像失真的情況。

3.CMOS傳感器的發展:索尼Pregius系列的快門CMOS

為了將全局快門技術應用到索尼的CMOS傳感器中，索尼在光電二極管和浮動擴散節點之間創建了一個新的像素模擬存儲節點。在Pregius CMOS傳感器中，所有光電二極管同時開始曝光，當光電二極管完全曝光時，電子流入模擬存儲器并釋放光電二極管進行下一次的曝光。電荷轉移到模擬存儲器后，轉換過程與卷簾門傳感器相同。最終結果是一個全局快門CMOS傳感器捕捉非失真圖像，同時利用雙CDS技術來減少隨機和固定模式噪聲。

圖3:索尼Pregius CMOS全局快門像素管道

電子電荷迅速地從光電二極管轉移到模擬存儲器。基于在CCD傳感器設計方面的經驗，索尼能夠開發出具有非常低暗電流的模擬存儲器。該存儲器被屏蔽并放置在像素結構中的低暗電流區域內，來減少暗電流射擊噪聲。

圖4:索尼Pregius快門讀數

因為模擬存儲器，光電二極管可以同時開始曝光和讀出。因為持續使用其模擬和數字CDS降噪技術，索尼Pregius CMOS傳感器不僅擁有全局快門成像功能，而且提供了高質量的低噪聲技術。

4.低噪聲:索尼雙相關雙采樣(雙cd)

為了降低噪聲，索尼CMOS傳感器在A/D轉換之前和之后對模擬和數字信號應用CDS。

圖5:增益為30db的固定模式噪聲(FPN)

在模擬信號中，索尼CMOS傳感器在每個浮動擴散節點中使用“重置開關”來排出前一次曝光的累積電荷，為下一次到來的曝光電荷騰出空間。然而，因為一些電子沒有耗盡留在漂浮擴散中導致與下一個暴露電荷相結合，給信號增加噪聲。這種噪點會在圖像上產生不需要的紋理效果，稱為“固定模式”噪點。固定模式噪聲在弱光成像中最為明顯，但可以使用CDS成功地降低這種情況。CDS通過測量前一次暴露的剩余電荷并從后續電荷(包括剩余噪聲和暴露電荷)中減去剩余電荷的方法來減少噪聲。

上圖:在列并行A/D轉換之前的索尼模擬cd

測量先前電荷留下的噪聲，然后從與剩余電荷混合的下一個暴露電荷中減去。

圖6:經過A/D轉換的索尼數字cd

與模擬CDS類似，數字信號被讀取兩次，一次在復位電平，另一次在信號電平。數字減法過程消除了每個像素列之間的變化，從而使圖像具有最小的噪聲。

5.下一級成像結果

索尼Pregius系列傳感器利用索尼最新的像素制造技術，提供高靈敏度的CMOS傳感器。它們在低光靈敏度以及高動態范圍允許用戶在動態挑戰照明環境中的成像。自動駕駛汽車、信息交通系統(ITS)或其他戶外環境等應用都可以從Pregius的成像質量中受益。當光線變化或相機進入具有陰影或者高光的復雜場景時，Pregius傳感器將捕獲比傳統CMOS傳感器更加有用的成像數據，使視覺系統做出更好的決策。在經典的機器視覺檢測應用中，更高的靈敏度將允許縮短曝光時間，加快檢測速度，盡可能節省照明成本。

6.總結

作為CCD開發的先驅，索尼將高質量的快門技術應用于其革命性的CMOS傳感器上。此外，通過他們的電路和像素制造技術，索尼在不降低靈敏度的情況下減小了像素尺寸，提高了分辨率。目前的Pregius傳感器比其前身具有更高的靈敏度和更低的噪聲。當前的Pregius傳感器可實現高畫質，高分辨率和高速成像，無焦平面畸變的功能。這些全局快門傳感器與CDS降噪技術相結合，為各種要求苛刻的視覺應用場景提供前沿的技術。Lucid相機技術采用索尼Pregius傳感器設計和制造，將繼續在性能和質量方面提供更優方案。