感光芯片技术

Sony（索尼）IMX CMOS芯片系列比较

Sony IMX系列芯片是工业相机中最常用的芯片之一。但是哪个系列适合您的应用呢？欢迎在本文中了解Sony IMX系列（即Pregius、STARVIS和Pregius S）各型号之间的主要区别。

首批IMX芯片

几年前，在用于工业图像处理的相机中，CCD技术的市场份额占主导地位。当时，CMOS芯片被视为一种有前途、但尚未成熟的技术，即使是众多专家也没有预料到CMOS芯片会与发展成熟的CCD芯片产生激烈竞争。

Sony（索尼）是最重要的国际芯片制造商之一，当它于2015年初宣布停产CCD芯片之后，情况突然转变，预示着CCD技术将在工业图像处理以及许多其他领域谢幕。大约两年前，该公司推出了目前已迭代到第四代CMOS芯片系列中的全新初代产品，并命名为IMX系列，它显著提升了动态范围，当时引起了市场轰动。这些初代芯片依然稳定供货，可缩短曝光时间，在图像处理过程中所需的触发和读出，并支持以出色的质量来采集图像，成像质量超过同价位的其他竞品芯片。

IMX芯片为何与众不同？

Exmor技术实现高成像质量

IMX芯片之所以具备高成像质量，原因之一是Sony采用了一项名为Exmor的特殊技术。借助该技术，在读出像素时，芯片记录的降噪模拟信号可直接转换为数字信号。这种方法使得IMX芯片有别于其他制造商的芯片，不仅可以提高噪声表现，还可以实现更高的帧速率。

全局快门实现无失真的图像拍摄

芯片的另一个重要特性在于它所采用的快门。在功能上，快门即对应于传统相机中的光圈，并以芯片电子元件的形式实现。在工业图像处理领域中存在两个不同的概念：在采用滚动快门的芯片中，芯片的各个像素行将逐一进行曝光并读出。在带有移动物体的应用中，这个过程会导致芯片各行出现延迟曝光，并且根据不同的检测情况，还可能导致采集的图像中出现失真。

采用全局快门技术的芯片则拥有不同的工作方式：芯片会同时读出所有曝光的像素。这种方式确保它也可以采集测试物体在移动时的图像，或者在交通应用中确保移动车辆的图像不会失真。

ROI越小，速度越快

此外，在这个为工业图像处理行业带来了巨大优势第一代IMX型号中，Sony开发人员将多种功能集成到其中，包括可定义较小的感兴趣区域(ROI)。限制芯片的读出面积可有助提高图像采集速度，并减小在数据传输过程中图像数据的大小。当只需要查看特定区域以进行物体检测时，此功能就可以发挥理想的作用。

Pregius - 第一代IMX芯片

IMX174和IMX249 IMX174和IMX249是第一代IMX芯片的型号，也被称为Pregius系列。这两款全局快门芯片使用边长为5.68 μm的方形像素，分辨率为1920 x 1200像素，帧速率各不相同：IMX249支持41 fps的图像采集速度，高速版型号IMX174甚至可达到惊人的166 fps。对于那些只需230万像素的分辨率就足以解决手头任务需求的应用，配备IMX174和IMX249芯片的相机如今依然不失为理想的选择，因为它们具备饱和容量高、信噪比高并且动态范围出色的特点。

减小像素尺寸的第二代IMX芯片

在第二代IMX芯片第二代IMX芯片中，Sony将像素尺寸减小到3.45μm x 3.45μm，并在2016年底推出了分辨率为300万像素（IMX252和IMX265）、500万像素（IMX250和IMX264）、900万像素（IMX255和IMX267）以及1200万像素（IMX253和IMX304）的型号。这些芯片还能让用户享受到全局快门的优势，并借助Exmor技术实现出色的成像质量。在速度方面，标准的第二代型号（IMX265、IMX264、IMX267和IMX304）的帧速率范围为23-56 fps，而高速版型号的帧速率可达68-216 fps。

两代IMX芯片在饱和容量方面有明显的差异，第二代IMX芯片的饱和容量值显著低于第一代IMX芯片，但仍然与其他制造商生产的CMOS芯片的范围值相当。不过，Sony在类似的像圈尺寸上成功将可实现的分辨率提高到原来的三倍，从而弥补了它在饱和容量方面的数值差异。

第一代和第二代IMX芯片的比较

芯片	IMX174和IMX249	IMX252和IMX256	IMX250和IMX264	IMX255和IMX267	IMX253和IMX304
分辨率 [MP]	2.3	3	5	9	12
分辨率 [像素 * 像素]	1920*1200	2048*1536	2448*2048	4112*2176	4112*3008
芯片尺寸 [英寸]	1/1.2	1/1.8	2/3	1	1.1
像素尺寸 [µm]	5.68	3.45	3.45	3.45	3.45
最大帧速率 fps @ Basler	164	120	75	40	30

第二代IMX芯片可支持的分辨率范围显著增加。

采用背照式技术的STARVIS芯片

借助STARVIS系列，Sony提供了一种已经问世多年的强大芯片技术。这种技术最初仅限于几个彩色芯片型号，并且主要用于监控领域。自黑白STARVIS型号推出以来，这些芯片在工厂自动化应用中变得越来越受欢迎。这个Sony芯片系列原本是与Pregius系列并行开发的，最初只提供滚动快门，但后来也采用了全局快门技术。STARVIS芯片也标有IMX的缩写字样，并采用边长在1.85μm - 3.76μm之间的方形像素。

STARVIS芯片与Pregius芯片的对比

STARVIS系列与Pregius芯片第一代/第二代芯片之间最重要的区别特征就是STARVIS芯片所具备的滚动快门和背照式技术。

FSI芯片和BSI芯片的技术比较 — 在FSI芯片中，线路位于光敏像素区域上方。光线到达光电二极管之前必须通过某种类似隧道的结构，并且部分光线会受到电子元件的反射。在BSI技术中，则可实现在光电二极管下方布线。

前照式(FSI)芯片与背照式(IMX)芯片的比较

这种芯片设计也称为BSI，它是Sony开发的一项复杂精妙的技术，可高效地解决应用难题：STARVIS芯片采用的像素尺寸非常小，边长仅为1.85 μm。由于像素尺寸非常小，芯片上用于接收光线的可用像素区域与所需电子元件（如放大器或A/D转换器）所占的面积这两者之间的比例不协调。如果非光敏部分的面积增加，则会降低芯片的量子效率。

Sony通过将放大器和评估电子元件从芯片的正面挪到了背面，从而避免了传统前照式结构芯片(FSI)中存在的这种问题。如此一来，就可以只把芯片的感光部分置于前方。这个设计技巧可以让几乎整个像素区域都用于光电响应，并减少来自电子元件自身的反射光。此外，BSI芯片的光敏平面高于传统的FSI设计，这也有助于提高成像表现。

灵敏度阈值

通过比较灵敏度绝对阈值可看出效果差异，EMVA1288标准对此阈值进行了定义，并指出了芯片平均需要多少光线（即光子）才能产生有别于噪声的充足信号。第一代Pregius芯片的阈值为10，第二代Pregius型号的阈值为3，而STARVIS系列芯片的阈值为4。

	STARVIS	Pregius第一代	Pregius第二代
灵敏度绝对阈值	4	10	3

哪一款IMX芯片适合我的应用？

应用

哪种CMOS芯片最能满足应用需求，这是由手头的任务性质来决定的。决定性标准之一是所用相机的触发速度以及芯片规格：要为快速移动的物体拍摄图像，就必须尽可能快速精确地触发相机。在这方面，Pregius芯片比STARVIS系列芯片表现更佳：对于Pregius芯片，从触发到读出图像需时仅20 μs左右，而STARVIS芯片则可能需要450 μs或以上。因此，在精确触发对成像质量至关重要的应用中，搭载Pregius芯片的相机是更理想的选择。应用实例包括在工业领域中检测高速移动的物体（如瓶子或印刷电路板），以及在体育运动领域中的动作分析。搭载Pregius芯片的相机具备高触发速度和高精度，因此也可以让3D应用或使用多相机系统的应用从中受益。

使用IMX芯片来取代CCD芯片

用户常常希望寻找一款性能符合要求的CMOS相机来替代旧型号，并且要求它具有与CCD技术相类似的特性。从经济方面来看，合理的做法是选择一款无需对现有光源和光学配件进行过多调整的CMOS芯片相机。与STARVIS系列相比，Pregius系列芯片的规格与早期CCD相机的规格相似度更高，因此Pregius芯片更适合特别注重相机规格的应用。例如，对于应用广泛的ICX625 CCD芯片，Pregius系列中500万像素的IMX264和IMX250型号版本就可以作为完美的替代品。采用ICX824 CCD芯片的相机可轻松被替换为搭载Pregius系列IMX267和IMX255芯片（分辨率为890万像素）的相机型号，无需对系统的光学设置进行重大调整。

成本优势

另一方面，STARVIS系列芯片比Pregius系列芯片具有更明显的成本优势。如果无需对移动的受检物进行图像采集，那么搭载STARVIS芯片的相机所用的滚动快门技术已经能满足需求。由于STARVIS芯片的像素尺寸非常小，因此还支持使用较小的芯片获得更高的分辨率，但必须在选择光学配件时首先考虑到这一点。

IMX系列的发展趋势

新功能

近年来，随着芯片技术的发展，新型号的功能越来越多样化。例如，在第二代Pregius系列中，Sony引入了多曝光触发器，其中单个触发脉冲信号可触发芯片快速采集多个图像，因此相机能够以不同的图像亮度来拍摄物体。通过这种方式，就可以选出出色图像以供后续的图像评估。此功能也可提供给第三代和第四代芯片的用户使用。此外，第三代还有两项创新功能，即在高速芯片中引入的自触发功能和双触发功能。借助自触发功能，用户可以定义两个不同的图像区域（感兴趣区域，ROI）。当在一个图像区域中检测到变化时，就会为另一个图像区域拍摄图像。此外，双触发功能支持为曝光时间和增益定义两个不同值，并且可以各自独立控制。所有第四代芯片均包含自触发和双触发功能。

这些示例表明，前几代芯片的功能通常可以延续到下一个开发阶段，从而为用户提供更丰富的选择。

高分辨率的较小型芯片

芯片开发的另一个重要趋势是采用尺寸更小、分辨率更高的设计。这是通过缩小像素尺寸来实现的。由于生产过程取得的技术进步，像素尺寸正在变得越来越小。芯片的这种小型化趋势也可能会让相机的尺寸进一步缩小。此外，在特定情况下，由于相机分辨率较高，从而减少了所用的相机数量。因此，可实现成本优化的相机系统。Pregius系列芯片通常需要搭配价格高昂的1英寸镜头，但也可以转而选择芯片尺寸较小的Pregius S系列芯片，它们可以搭配价格更经济、但功能同样强大的镜头。这让搭载Pregius S芯片的相机变得十分受市场欢迎。