關(guān)于圖像傳感器的像素誤區(qū)

圖像傳感器的應(yīng)用日益普及，特別是在安防、工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域。很多汽車(chē)現(xiàn)在都配備了至少五個(gè)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(cuò)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)在是安森美的一部分）指出，集成電路 (IC) 上的晶體管數(shù)量每?jī)赡暝黾右槐丁榱藢杀稊?shù)量的晶體管放置在單個(gè)器件上，縮小晶體管是主要實(shí)現(xiàn)方式。這種趨勢(shì)已經(jīng)持續(xù)了數(shù)十年，但近年晶體管數(shù)量增長(zhǎng)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(lái)越豐富多樣，但價(jià)格沒(méi)有上漲。

但圖像傳感器卻有所不同，因?yàn)樗囊恍┲匾考粫?huì)隨著晶體管變小而擴(kuò)增。具體來(lái)說(shuō)，圖像傳感器的光學(xué)元件比如光電二極管（將入射光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)）和一些模擬元件（將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像）不能像數(shù)字邏輯元件那樣簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)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(lái)自每個(gè)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(chǔ)、顯示或用于人工智能機(jī)器視覺(jué)。

如果像素?cái)?shù)量每?jī)赡暝鲩L(zhǎng)一倍，同時(shí)鏡頭尺寸保持不變，那么像素將會(huì)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(chǎng)景需要，增加像素?cái)?shù)量不僅沒(méi)有任何意義，還會(huì)導(dǎo)致帶寬和存儲(chǔ)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(guò)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(lái)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(lái)收集光，但這不一定能夠提高圖像質(zhì)量。另外還有多個(gè)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(duì)應(yīng)用的影響大于減少單個(gè)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，要確保接收到光子的數(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(shí)，像素大小是個(gè)考慮因素。但是，人們可能過(guò)于夸大了它的重要性；它只是多個(gè)參數(shù)中的一個(gè)，對(duì)于其他幾個(gè)參數(shù)，也應(yīng)給予同樣的認(rèn)真考量。選擇傳感器時(shí)，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)合適的設(shè)計(jì)解決方案。

大小像素設(shè)計(jì)

在很多應(yīng)用中，盡可能地?cái)U(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍具有重要價(jià)值，有助于在最終圖像中正確渲染陰影和高光，但這對(duì)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“大小像素”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。

在大小像素方法中，專(zhuān)用于單個(gè)像素的傳感器區(qū)域被分為兩個(gè)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(zhǎng)時(shí)間而不會(huì)飽和，因?yàn)榭捎糜谑占庾拥拿娣e較小?？梢孕蜗蟮貙⑺鼈冾?lèi)比為使用水桶和水瓶來(lái)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(kāi)口小，瓶身比較寬，收集起來(lái)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(kuò)展的動(dòng)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(gè)像素增加了一個(gè)區(qū)域，讓多出來(lái)的信號(hào)或電荷能夠溢出到該區(qū)域，從而解決了上述問(wèn)題。想象一下，我們使用水桶來(lái)接雨滴，然后有一個(gè)更大的盆來(lái)接住從水桶溢出的水?！八啊毙盘?hào)易于讀取，具有很高的精度，因而我們能夠達(dá)到良好的低光照性能，更大的盆則容納了溢出的所有信號(hào)，從而擴(kuò)展了動(dòng)態(tài)范圍。這樣，整個(gè)像素區(qū)域用于低光照條件，而不會(huì)在明亮光照條件下出現(xiàn)飽和。飽和會(huì)降低圖像質(zhì)量，例如會(huì)使顏色失真，清晰度下降。安森美的超級(jí)曝光技術(shù)可在高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景中提供更好的圖像質(zhì)量，適用于人眼視覺(jué)和機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用。

圖 2：XGS 16000 是一款 1600 萬(wàn)像素 CMOS 圖像傳感器