1.概述

1980年，索尼推出了第一台CCD彩色相机。直到2013年，索尼刷新了传感器领域市场的布局，推出了全球首款快门CMOS传感器Pregius IMX174, 1/1.2″2.3 MP。索尼首款Pregius传感器将全球快门CCD图像质量与CMOS高速帧率结合在一起，创造了成像性能的新标准。

随着首款Pregius IMX174传感器的成功，索尼从传统的CCD转向更先进的CMOS传感器。第二代Pregius传感器包括3.2 MP IMX265和5.0 MP IMX264。第一代Pregius传感器尺寸为1/1.2 "，像素尺寸为5.86 μm。相比之下，第二代传感器尺寸更小，为3.45 μm。尺寸越小允许兼容的镜头更具有成本效益。随着索尼在STARVIS系列中改进其滚动快门CMOS技术，使得Pregius仍然是全球快门CMOS性能方面的前列。

随着每年新技术的推出，索尼专注于消费者，以降本和高性能为目标，不断通过提高图像质量，帧率和增加功能进行创新。在索尼的Pregius系列中，Lucid产品在保持访问的功能下推动了数字成像的极限。要了解使用索尼Pregius全局快门CMOS传感器的机器视觉相机的好处，必须先了解索尼数字成像技术的基本组成部分。

2.在Pregius系列之前:滚动快门CMOS传感器是如何工作的

在索尼发布Pregius系列的全球快门CMOS传感器之前，他们的CMOS传感器使用滚动快门技术进行传感器读取。与CCD相比，CMOS滚动快门技术具有成本效益高，高质量成像和高帧速的特点。不过当目标或相机处于运动状态，则捕获的图像会有图像抖动、倾斜或条带等失真问题。这种失真是由于滚动快门传感器一次一行地曝光读出像素导致的。一个传统的索尼CMOS卷帘门工作流程如下图所示。

图1:传统的索尼CMOS滚动快门像素管道

上图显示了索尼CMOS滚动快门图像传感器传统像素的工作流程。光电转换(用量子效率测量)发生在光电二极管中，电子在浮动扩散节点转换为电压(电压是电荷(q)除以电容(C))，之后电信号被转换成数字信号。在这一阶段，信号经过2级相关双采样(CDS)来减少模拟和数字噪声，这个过程被称为“双cd”，是索尼为了减少随机和固定模式噪声的解决方案。

图2:带列并行A/D转换的滚动快门读数

上图是一个简化的动画，展示了传统索尼滚动快门CMOS传感器读取图像数据的过程。每个像素列使用一个独立的ADC(模数转换器)高速读出。每个像素行都暴露在光下，电荷一次一行地发送进行模拟到数字转换，正是这种逐行曝光的情况导致CMOS在高速运动时会产生图像失真的情况。

3.CMOS传感器的发展:索尼Pregius系列的快门CMOS

为了将全局快门技术应用到索尼的CMOS传感器中，索尼在光电二极管和浮动扩散节点之间创建了一个新的像素模拟存储节点。在Pregius CMOS传感器中，所有光电二极管同时开始曝光，当光电二极管完全曝光时，电子流入模拟存储器并释放光电二极管进行下一次的曝光。电荷转移到模拟存储器后，转换过程与卷帘门传感器相同。最终结果是一个全局快门CMOS传感器捕捉非失真图像，同时利用双CDS技术来减少随机和固定模式噪声。

图3:索尼Pregius CMOS全局快门像素管道

电子电荷迅速地从光电二极管转移到模拟存储器。基于在CCD传感器设计方面的经验，索尼能够开发出具有非常低暗电流的模拟存储器。该存储器被屏蔽并放置在像素结构中的低暗电流区域内，来减少暗电流射击噪声。

图4:索尼Pregius快门读数

因为模拟存储器，光电二极管可以同时开始曝光和读出。因为持续使用其模拟和数字CDS降噪技术，索尼Pregius CMOS传感器不仅拥有全局快门成像功能，而且提供了高质量的低噪声技术。

4.低噪声:索尼双相关双采样(双cd)

为了降低噪声，索尼CMOS传感器在A/D转换之前和之后对模拟和数字信号应用CDS。

图5:增益为30db的固定模式噪声(FPN)

在模拟信号中，索尼CMOS传感器在每个浮动扩散节点中使用“重置开关”来排出前一次曝光的累积电荷，为下一次到来的曝光电荷腾出空间。然而，因为一些电子没有耗尽留在漂浮扩散中导致与下一个暴露电荷相结合，给信号增加噪声。这种噪点会在图像上产生不需要的纹理效果，称为“固定模式”噪点。固定模式噪声在弱光成像中最为明显，但可以使用CDS成功地降低这种情况。CDS通过测量前一次暴露的剩余电荷并从后续电荷(包括剩余噪声和暴露电荷)中减去剩余电荷的方法来减少噪声。

上图:在列并行A/D转换之前的索尼模拟cd

测量先前电荷留下的噪声，然后从与剩余电荷混合的下一个暴露电荷中减去。

图6:经过A/D转换的索尼数字cd

与模拟CDS类似，数字信号被读取两次，一次在复位电平，另一次在信号电平。数字减法过程消除了每个像素列之间的变化，从而使图像具有最小的噪声。

5.下一级成像结果

索尼Pregius系列传感器利用索尼最新的像素制造技术，提供高灵敏度的CMOS传感器。它们在低光灵敏度以及高动态范围允许用户在动态挑战照明环境中的成像。自动驾驶汽车、信息交通系统(ITS)或其他户外环境等应用都可以从Pregius的成像质量中受益。当光线变化或相机进入具有阴影或者高光的复杂场景时，Pregius传感器将捕获比传统CMOS传感器更加有用的成像数据，使视觉系统做出更好的决策。在经典的机器视觉检测应用中，更高的灵敏度将允许缩短曝光时间，加快检测速度，尽可能节省照明成本。

6.总结

作为CCD开发的先驱，索尼将高质量的快门技术应用于其革命性的CMOS传感器上。此外，通过他们的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，提高了分辨率。目前的Pregius传感器比其前身具有更高的灵敏度和更低的噪声。当前的Pregius传感器可实现高画质，高分辨率和高速成像，无焦平面畸变的功能。这些全局快门传感器与CDS降噪技术相结合，为各种要求苛刻的视觉应用场景提供前沿的技术。Lucid相机技术采用索尼Pregius传感器设计和制造，将继续在性能和质量方面提供更优方案。

关键词:索尼 Pregius CMOS传感器 索尼传感器

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来 源：Lucid、 机器智能感知

编辑：白芷

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