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當(dāng)涉及到技術(shù)創(chuàng)新時(shí)，圖像傳感器的選擇是設(shè)計(jì)和開發(fā)各種設(shè)備過程中一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，這些設(shè)備包括專業(yè)或家庭安防系統(tǒng)、機(jī)器人、條形碼掃描儀、工廠自動(dòng)化、設(shè)備檢測(cè)、汽車等。選擇最合適的圖像傳感器需要對(duì)眾多標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)雜的評(píng)估，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)影響最終產(chǎn)品的性能和功能。從光學(xué)格式和、動(dòng)態(tài)范圍到色彩濾波陣列（CFA）、像素類型、功耗和特性集成，這些標(biāo)準(zhǔn)的考慮因素多種多樣，錯(cuò)綜復(fù)雜。

在各類半導(dǎo)體器件中，圖像傳感器可以說是最復(fù)雜的。這些傳感器將光子轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過一系列微透鏡、CFA、像素和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）產(chǎn)生數(shù)字輸出。數(shù)字化后的信號(hào)將進(jìn)行合并、縮放、裁剪、存儲(chǔ)，并在傳感器內(nèi)部用于高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）處理。

此外，這些傳感器還嵌入了復(fù)雜的功能，如功能安全、網(wǎng)絡(luò)安全、輸出格式化和各種類型的基本圖像處理。許多高分辨率和高幀率的需求促使輸出信號(hào)以數(shù)千兆比特的速度通過各種類型的接口傳輸。此外，為了優(yōu)化數(shù)字處理過程，大多數(shù)現(xiàn)代圖像傳感器都采用混合鍵合的堆疊晶片結(jié)構(gòu)，頂層晶片包含像素和周邊電路，而底層晶片則針對(duì)前面討論的其他數(shù)字邏輯進(jìn)行了優(yōu)化。

圖 1. 混合鍵合 CMOS 圖像傳感器的層和橫截面圖

這些圖像傳感器不僅本身非常復(fù)雜，而且在為眾多設(shè)備和應(yīng)用選擇合適的傳感器時(shí)也是如此。要成功設(shè)計(jì)和開發(fā)任何需要圖像傳感器的設(shè)備，了解選擇標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性和細(xì)微差別至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員需要從眾多參數(shù)中進(jìn)行選擇，例如分辨率、像素大小、像素類型、幀率、快門類型、光學(xué)格式、功能特性等等，這讓許多人不禁要問：“我該從何入手呢？”

安森美（onsemi）最新的白皮書對(duì)圖像傳感器的選擇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了全面分析，并就如何駕馭各種特性和功能提供了深入見解。本文探討影響圖像傳感器選擇的各種因素，旨在幫助工程師和設(shè)計(jì)人員做出更明智的決策，從而優(yōu)化性能、效率和整體設(shè)計(jì)。

我們將選擇標(biāo)準(zhǔn)分為三大類：

圖 3. 三類標(biāo)準(zhǔn)及其子類

本文將詳細(xì)介紹成像性能。

選擇圖像傳感器的首要考慮因素是成像性能。成像始于圖像傳感器可捕捉的實(shí)際光譜范圍。如下圖所示，圖中的粉紅色線條表示圖像傳感器的硅光電二極管對(duì)電磁光譜中人眼無法看到的其他波長(zhǎng)的敏感性。這些波長(zhǎng)包括波長(zhǎng)較短的紫外線（UV）和波長(zhǎng)較長(zhǎng)的近紅外線（NIR）。大多數(shù)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）圖像傳感器的檢測(cè)范圍在350納米到1000納米之間。不過，某些技術(shù)也可以對(duì)短波紅外（SWIR）成像，而有些技術(shù)則可以進(jìn)一步延伸到紫外線范圍。

圖 4. 電磁頻譜--人眼與硅傳感器的對(duì)比

圖像傳感器所采用的技術(shù)在決定其成像性能方面也起著至關(guān)重要的作用。CMOS 圖像傳感器最初使用的是前照式（frontside illumination，F(xiàn)SI）技術(shù)，由于在光學(xué)堆疊層和像素之間存在金屬層，該技術(shù)在優(yōu)化捕捉光線方面存在挑戰(zhàn)。然而，隨著背照式（backside?illuminated，BSI）技術(shù)的引入，即把像素移到晶片底部，光線可以直接進(jìn)入像素，沒有任何中間層，從而進(jìn)一步提高了性能。

圖 5. CMOS 圖像傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

在背照式技術(shù)趨勢(shì)之后，又出現(xiàn)了背照式混合鍵合晶片堆疊技術(shù)（backside?illuminated hybrid bonded wafer?stacking technology），為數(shù)字邏輯提供了最優(yōu)化的技術(shù)，同時(shí)縮小了傳感器的整體尺寸。單片式圖像傳感器將光敏像素陣列和周圍的數(shù)字邏輯集成在一個(gè)晶片上。 

因此，這些器件的尺寸會(huì)隨著數(shù)字功能的增加而增大，同時(shí)像素陣列和數(shù)字邏輯的工藝技術(shù)相同，導(dǎo)致效率低下。背照式晶片堆疊技術(shù)是將晶片層層堆疊并鍵合在一起，解決了這一問題。頂部晶片包含像素和周邊電路。底部晶片包含電路和其他支持功能，從而實(shí)現(xiàn)了尺寸和技術(shù)的優(yōu)化。

光學(xué)格式（Optical Format）是選擇圖像傳感器時(shí)必須考慮的因素，它指的是傳感器的物理尺寸，是一個(gè)假設(shè)的測(cè)量值，比傳感器的實(shí)際對(duì)角線尺寸大50%。最常見的光學(xué)格式包括1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸和1/4英寸。

圖像傳感器的光學(xué)格式?jīng)Q定了可以容納的像素?cái)?shù)量與大小，從而影響其成像性能、分辨率以及捕捉和準(zhǔn)確再現(xiàn)細(xì)節(jié)的能力。傳感器及其光學(xué)格式越大，能夠捕捉的光線就越多，這進(jìn)而引出了一個(gè)艱難的權(quán)衡：像素?cái)?shù)量（分辨率）與像素大小（較大的像素可以捕捉更多的光線）。理想情況下，我們希望同時(shí)擁有更高的分辨率和更大的像素，但傳感器越大，設(shè)備的成本和體積也就越大。

在光學(xué)格式、成本和期望的成像性能之間找到適當(dāng)?shù)钠胶馐且粋€(gè)難題。例如，在不同的光學(xué)格式下保持相同的分辨率會(huì)導(dǎo)致不同的像素大小。此外，在相同的光學(xué)格式下使用不同XXXZDFCBJ'

像素大小會(huì)導(dǎo)致不同的分辨率。因此，選擇正確的光學(xué)格式需要權(quán)衡利弊，并仔細(xì)考慮其他選擇標(biāo)準(zhǔn)。

像素技術(shù)是圖像傳感器的核心，也是不斷改進(jìn)的關(guān)鍵。我們的目標(biāo)是生產(chǎn)出更小但更高效的設(shè)備，使其具有與大型設(shè)備中的大型傳感器相同的性能。在不斷創(chuàng)新以提高像素性能的同時(shí)，這些權(quán)衡也始終存在。

圖像傳感器的一個(gè)重要選擇標(biāo)準(zhǔn)是弱光靈敏度。弱光靈敏度是指圖像傳感器即使在弱光或黑暗條件下也能拍攝清晰、高質(zhì)量圖像的能力。 雖然影響弱光靈敏度的因素很多，但它主要由像素大小決定。

圖 6. 弱光重要性-1 Lux 圖像示例

圖 6 顯示，與較大的像素（右圖）相比，較小的像素（左圖）捕捉光線的表面積較小。因此，大像素可以捕捉更多的光子，在弱光條件下生成更清晰的圖像。不過，如前所述，較大的像素也會(huì)占用更多空間，而且生產(chǎn)成本較高。因此，如何在像素尺寸、弱光靈敏度、成本和其他選擇標(biāo)準(zhǔn)之間找到平衡點(diǎn)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

動(dòng)態(tài)范圍是選擇圖像傳感器的另一個(gè)重要方面，指的是圖像傳感器在單張圖像中準(zhǔn)確有效地捕捉各種亮度水平的能力。這一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于拍攝高對(duì)比度場(chǎng)景（如天空明亮但背景陰暗的風(fēng)景）非常重要。  當(dāng)然，室內(nèi)場(chǎng)景中也會(huì)有明亮光線和黑暗區(qū)域的情況，但室外條件通常更為苛刻。

圖 7. 帶 HDR 和不帶 HDR 功能的傳感器示例

具有高動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器可以在黑暗或弱光區(qū)域以及明亮或強(qiáng)光區(qū)域捕捉到更多的細(xì)節(jié)，從而獲得更好的整體圖像質(zhì)量。圖 7 顯示了線性（非 HDR）圖像傳感器（左圖）與 HDR（高動(dòng)態(tài)范圍）圖像傳感器（右圖）相比，前者生成的圖像模糊、對(duì)比度低，而后者則更清晰。雖然 HDR 圖像不適用于不需要它的應(yīng)用場(chǎng)景，但在成像應(yīng)用中，擁有 HDR 選項(xiàng)正變得越來越重要。

HDR 成像有三種基本解決方案：

1.空間域：使用 "大小像素 "式結(jié)構(gòu)，即一個(gè)像素包含兩個(gè)子像素，大像素捕捉暗部，小像素捕捉亮部。

2.時(shí)域：改變信號(hào)積分的時(shí)間，以不同的曝光周期捕捉多幅圖像，通常稱為 "多重曝光"。

3.增益/電容：增加光電二極管的電荷容量或使用多個(gè)信號(hào)積分周期

每種解決方案都各有利弊：

目前 HDR 成像的趨勢(shì)是使用超級(jí)曝光技術(shù)，但多重曝光方法仍然是最流行的技術(shù)。然而，每種技術(shù)都有其最適合的特定應(yīng)用場(chǎng)景。

運(yùn)動(dòng)是影響圖像傳感器性能和選擇的另一個(gè)因素，指的是圖像傳感器拍攝運(yùn)動(dòng)物體時(shí)不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)模糊或失真的能力。較高的幀率（以每秒幀數(shù)或fps衡量）能更好地拍攝運(yùn)動(dòng)物體。此外，不同類型的傳感器處理運(yùn)動(dòng)的方式也有所不同。

圖 8. 拍攝快速移動(dòng)物體時(shí)的卷簾快門與全局快門對(duì)比

快速運(yùn)動(dòng)是使用全局快門傳感器的一種情況，但還有其他場(chǎng)景也適用。通常，最佳選擇是配合“主動(dòng)照明”技術(shù)；這基本上是指近紅外發(fā)光二極管（NIR LED）或垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Service Emitting Lasers，VCSEL），它們的脈沖周期很短，可用于確定性地控制照明。這些技術(shù)可以在幾乎沒有環(huán)境光的情況下使用。人眼無法感知NIR LED的光，只能感知可見光范圍LED的光。

盡管由于波長(zhǎng)的原因，人眼無法感知NIR LED，但眼睛仍可能受到其傷害。因此，如果NIR光沒有以適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和周期發(fā)射，就有可能使毫無防備的人失明。此外，降低NIR LED的占空比還可以減少功耗。由于這些NIR LED的開啟時(shí)間非常短（有時(shí)僅為微秒級(jí)別），因此必須在這段時(shí)間內(nèi)捕捉整個(gè)傳感器陣列的數(shù)據(jù)。

圖 9. 提高全局快門效率（GSE）

全局快門的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是存儲(chǔ)元件（ME）會(huì)吸收光線，這會(huì)導(dǎo)致雜光靈敏度（PLS）問題。存儲(chǔ)元件吸收的雜光越多，PLS 就越高。全局快門效率（GSE）是一個(gè)指標(biāo)，用于衡量存儲(chǔ)元件中的信號(hào)電荷受到雜光影響的程度。圖9顯示，較差的GSE會(huì)導(dǎo)致PLS升高和運(yùn)動(dòng)問題，而良好的GSE則會(huì)帶來更好的運(yùn)動(dòng)性能。

關(guān)于近紅外（NIR）照明，并參考圖4，CMOS圖像傳感器在這些波長(zhǎng)下的量子效率 (QE)較低，也增加了主動(dòng)照明應(yīng)用的復(fù)雜性。要使全局快門具有更好的NIR響應(yīng)，一種解決方案是在光電二極管下方加厚外延層 (EPI)。更厚的EPI可以捕獲更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，并由光電二極管接收。然而，更厚的EPI可能會(huì)引入雜光進(jìn)入相鄰像素的風(fēng)險(xiǎn)，從而降低調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF），即圖像清晰度。

因此，為了達(dá)到最佳系統(tǒng)性能，必須在NIR響應(yīng)和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）之間找到適當(dāng)?shù)钠胶?。每個(gè)系統(tǒng)的需求不同，有些可能需要更強(qiáng)的信號(hào)（更高的NIR量子效率），而另一些可能需要更好的MTF（清晰度）。關(guān)鍵在于找到一種方法，使光線能夠到達(dá)合適的光電二極管，同時(shí)提高NIR靈敏度而不降低MTF，如下圖所示。這對(duì)于傳感器廠商來說是一個(gè)復(fù)雜的選擇，并且會(huì)因應(yīng)用而異。

圖 10. 改進(jìn)工藝以提高NIR響應(yīng)和保持 MTF

除了已經(jīng)討論過的內(nèi)容外，在確定傳感器的成像性能時(shí)，還有其他技術(shù)趨勢(shì)和考慮因素需要權(quán)衡。

成像深度

在機(jī)器視覺、AR/VR、駕駛員監(jiān)控等各種應(yīng)用中，深度變得越來越重要。實(shí)現(xiàn)深度的一種方法是通過間接飛行時(shí)間（iToF）傳感器，這種傳感器通過測(cè)量光的不同相位以及光從傳感器傳播到反射回來的時(shí)間來確定距離。另一種方法是通過安裝立體攝像頭，使用多個(gè)視差攝像頭從略微不同的角度和更遠(yuǎn)的距離拍攝和比較圖像，從而計(jì)算深度。

幀率

雖然幀率會(huì)根據(jù)應(yīng)用的不同而有所波動(dòng)，但在涉及快速移動(dòng)物體的應(yīng)用中，對(duì)更高幀率的需求日益增長(zhǎng)。更高的幀率能夠?qū)崿F(xiàn)更好的運(yùn)動(dòng)捕捉效果，并減少運(yùn)動(dòng)模糊，這使得它在機(jī)器視覺、掃描以及其他專業(yè)成像應(yīng)用中顯得尤為重要。提高幀率還可以抵消運(yùn)動(dòng)帶來的影響，并減少對(duì)全局快門的需求。

溫度性能

圖像傳感器對(duì)溫度極為敏感，因此必須考慮其在不同曝光和條件下的性能。溫度過高或過低以及在較高占空比下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行都會(huì)影響傳感器的性能。因此，了解溫度性能及其如何影響所需應(yīng)用的成像能力至關(guān)重要。

色彩濾波陣列（Color Filter Array，CFA）

傳感器的CFA是一種用于解析（或不解析）圖像色彩的濾光片，在決定圖像的色彩準(zhǔn)確度和效果方面起著重要作用。CFA有多種類型，每種類型在色彩準(zhǔn)確度、清晰度、光敏感度和圖像質(zhì)量方面都有其優(yōu)缺點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)的彩色傳感器使用拜耳陣列CFA，它以紅、綠、藍(lán)、綠的陣列覆蓋像素。這種模式由柯達(dá)前員工Bryce Bayer于1976年發(fā)明?？逻_(dá)的成像部門后來被分拆成一家名為True sense的公司，而這家公司于2014年被安森美收購(gòu)。另一個(gè)例子是單色傳感器，它提供單一的黑白圖像，但靈敏度更高（因?yàn)闆]有彩色 "濾光片"），尤其是在不需要或未提供色彩信息的情況下，例如上述的主動(dòng)近紅外（NIR）照明應(yīng)用。

特殊類型的CFA，如RCCC（紅、透明、透明、透明）、RYYCy（紅、黃、黃、青）和RCCB（紅、透明、透明、藍(lán)），能夠在收集部分色彩信息的同時(shí)讓更多的光進(jìn)入像素。這在汽車成像等應(yīng)用中非常有用，例如可能需要紅色來檢測(cè)剎車燈或交通信號(hào)燈，但仍需要最大限度的光量。與此同時(shí)，RGB-IR CFA允許像素同時(shí)捕捉可見光和紅外光，從而使系統(tǒng)能夠同時(shí)處理和成像這兩種類型的光線。