更高级别的成像：Sony Pregius CMOS
综述
自1980年索尼推出了第一台CCD彩色相机，并改变了数字传感器技术的格局。索尼在2013年发布了首款全局快门CMOS传感器Pregius IMX174，1/1.2″ 230万像素传感器，再次改变了传感器的格局。索尼首创产品Pregius将全局快门CCD图像质量与CMOS高速帧速率相结合，创造了成像性能的黄金标准。
凭借首款Pregius IMX174传感器的成功，索尼摆脱了对于传统的CCD依赖，专注于开发更先进的CMOS传感器。第二代Pregius传感器包括320万像素的IMX252，510万像素的IMX250，890万像素的IMX255和1200万像素的IMX253。相对于1/1.2″, 5.86μm像素尺寸的第一代 Pregius传感器，第二代Pregius传感器像素尺寸更小，只有3.45μm。更令人印象深刻的是，更小尺寸的传感器可以与价格更低廉的镜头兼容。随着Sony在STARVIS系列中积极改进其卷帘快门CMOS技术，全局快门CMOS性能和价值的巅峰仍然是Sony Pregius。
Pregius之前：卷帘快门CMOS传感器的工作原理
在索尼发布Pregius全局快门CMOS传感器之前，他们的CMOS传感器使用卷帘快门技术进行传感器读取。与CCD相比，CMOS卷帘技术可提供经济高效的高质量成像和非常高的帧频。不幸的是，如果目标或相机处于运动状态，则拍摄的图像会以图像摆动，偏斜或条纹的形式显示失真。该失真是由于卷帘快门传感器一次曝光并读出一行像素而引起的。常规的Sony CMOS卷帘的工作流程如下所示。
对于不要求高速检查的应用，卷帘CMOS相机可提供出色的成本效益解决方案。
在慢速检查，生命科学，安全和安防等应用中很有用。
上图显示了卷帘Sony CMOS图像传感器的常规像素工作流程。光电转换（通过量子效率测量）发生在光电二极管中。然后，电子在浮动扩散节点中转换为电压（电压是电容（C）上的电荷（q））。然后将信号转换为数字信号。也有可能在此阶段信号经过二阶相关双采样（CDS），以减少模拟和数字噪声。这就是所谓的“双CDS”，是Sony减少随机和固定模式噪声的解决方案。
上图是传统Sony卷帘CMOS传感器如何读取图像数据的简化动画。每个像素列均使用独立的ADC（模数转换器）进行高速读数。每个像素行都暴露在光下，电荷一次发送一次进行模数转换。正是这种逐行曝光在高速运动期间产生图像失真。
索尼继续改进并生产各种CMOS卷帘快门传感器。它们包括以下传感器系列：
•Exmor
•Exmor R
•Exmor RS
•STARVIS
索尼最新的CMOS卷帘快门传感器产品线STARVIS具有出色的微光成像灵敏度。
CMOS传感器不断发展：Sony Pregius全局快门CMOS
为了在CMOS传感器中实现全局快门技术，索尼创建了一个创新的像素内模拟存储节点，该节点位于光电二极管和浮动扩散节点之间。在Pregius CMOS传感器中，所有光电二极管同时开始曝光。光电二极管完成曝光后，电子流入模拟存储器，释放光电二极管以进行下一次曝光。此过程使CMOS具有全局快门功能。电荷转移到模拟存储器后，转换过程与卷帘快门传感器相同。结果是一个全局快门CMOS传感器，该传感器可以拍摄不失真的图像，同时仍使用Sony的双CDS技术来减少随机和固定模式噪声。
电子电荷迅速从光电二极管转移到模拟存储器。由于他们在CCD传感器设计方面的经验，Sony能够开发出具有非常低暗电流的模拟存储器。存储器被屏蔽并放置在像素结构中的低暗电流区域内，以减少暗电流散粒噪声。
得益于模拟存储器，光电二极管可以同时开始曝光和读出。由于继续使用其模拟和数字CDS降噪技术，Sony Pregius CMOS传感器不仅提供全局快门成像，而且还提供高质量的低噪声成像。
为了使IMX255和IMX250等CMOS传感器在3.45μm的较小像素尺寸上保持灵敏度（与以前的5.86μm像素的Pregius传感器相比），索尼实施了专有的像素浓缩工艺，该工艺可 保持高动态范围和高信噪比。
使用全局快门和卷帘快门的运动图像的视频示例。在这里您可以看到由卷帘快门（右半部分）产生的图像失真。
低噪声：索尼的双相关双采样（双CDS）
为了降低噪声，Sony CMOS传感器在A / D转换之前和之后都将CDS应用于模拟和数字信号。在模拟信号中，Sony CMOS传感器在每个浮动扩散节点中使用一个“复位开关”以耗尽前一次曝光的累积电荷，为下一次传入的曝光电荷腾出空间。但是，某些电子不会漏出并最终保留在浮动扩散中。这些电子与下一个曝光电荷结合，为信号增加了噪声。这种噪点会在图像上产生不想要的纹理效果，称为“固定模式”噪点。固定模式噪声在弱光成像中最明显，但可以使用CDS成功降低。CDS通过测量上次曝光后的剩余电荷并减去其后的电荷（包括剩余噪声和曝光电荷）来降低噪声
上图：增益为30 dB时的固定模式噪声（FPN）
测量从前一个电荷留下的噪声，然后从与剩余电荷混合的下一个曝光电荷中减去该噪声。
与模拟CDS相似，数字信号被读取两次，一次在复位电平，然后在信号电平。数字减法处理消除了每个像素列之间的差异，从而使图像噪声最小。
更好的成像结果
Sony Pregius传感器利用Sony最新的像素制造技术来提供高灵敏度的CMOS传感器。它们的低感光度和高动态范围使用户可以在充满挑战的照明环境中成像。Pregius的成像质量可以使自动驾驶汽车，智能交通系统（ITS）或其他室外环境等应用受益。随着光线的变化或相机进入带有暗影和高光的复杂场景，Pregius传感器将比传统的CMOS传感器捕获更多有用的成像数据，从而使您的视觉系统能够做出更好的决策。在经典的机器视觉检查应用中，更高的灵敏度将使您能够缩短曝光时间并加快检查时间，并有可能节省照明成本。
| 第二代Pregius功能 | 给用户带来的好处 |
|---|---|
| 全局快门 | 消除运动引起的图像失真。允许高速成像而不会出现图像摆动，歪斜或光带现象。 |
| 2/3“和1 / 1.8”传感器格式，像素尺寸为3.45 µm | 允许相机与更小，更具成本效益的镜头一起使用。 |
| 高量子效率 | 对光的敏感性更高。有利于弱光应用。使您可以在更短的曝光时间或更少的光线下成像。 |
| 极低的时域暗噪声 | 在弱光应用中提供更清晰的成像。噪音越低，越多的人可以增加增益/亮度而不增加噪音。 |
| 高信噪比（SNR） | 更高的SNR可以使成像更加清晰。较高的SNR可以减少成像时间。 |
| 高动态范围 | 高动态范围可在具有挑战性的照明环境中（在同一场景中存在复杂的阴影和高光）实现更好的成像。较暗的阴影和较亮的高光将捕获更多细节。 |
摘要
索尼率先开发了CCD，将高质量的全局快门技术应用于其革命性的CMOS传感器。此外，通过其电路和像素制造技术，索尼在不降低灵敏度的情况下减小了像素尺寸并提高了分辨率。当前的Pregius传感器比以前的传感器具有更高的灵敏度和更低的噪声。如今的Pregius传感器可实现高画质，高分辨率和高速成像，而不会出现焦平面失真。这些全球快门传感器结合其CDS技术以降低噪声，可为各种苛刻的视觉应用提供行业领先的性能。使用Sony Pregius传感器设计和制造的相机将继续提供以性能和质量为基础的无与伦比的多功能性。
Pregius和Pregius徽标是Sony Corporation的商标。
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