影像感測器再思考:畫素誤區

作者 : Geoff Ballew,安森美智慧感知事業部資深行銷總監

影像感測器技術不同於標準半導體技術,通常也易於導致錯誤認知...

影像感測器的應用日益普及,特別是在安全防護、工業和汽車應用領域。很多車輛現在都配備了至少五個以上基於影像感測器的攝影機。但是,影像感測器技術不同於標準半導體技術,通常也易於導致錯誤認知。

摩爾定律和影像感測器

有些人認為著名的「摩爾定律」(Moore’s Law)也適用於影像感測器。根據摩爾(Gordon Moore)指出,IC上的電晶體數量每兩年增加一倍。為了將兩倍數量的電晶體放置在單個元件上,縮小電晶體是主要實現方式。這種趨勢已經持續了數十年,但近年電晶體數量增加速度有所減緩。電晶體密度增加還導致單位電晶體成本降低,因而很多電子系統的功能越來越豐富多樣,但價格沒有上漲。

影像感測器則有所不同,因為它的一些重要元件不會隨著電晶體變小而微縮。具體來說,影像感測器的光學元件如光電二極體(將入射光轉換為電訊號)和一些類比元件(將電訊號轉換為數位影像)並不會像數位邏輯元件那樣簡單地微縮。在感測器中,影像擷取主要採用類比技術,由數位電路將來自每個畫素的數位資料轉換為影像,這些影像可以被存儲、顯示或用於人工智慧(AI)機器視覺。

如果畫素數量每兩年增長一倍,同時鏡頭尺寸保持不變,那麼畫素將會變小,導致接收的光子更少。(想一下雨天的水桶,更小的水桶收集的雨滴較少)。因此,感測器必須在單位面積靈敏度和降低雜訊方面表現更加出色,才能在低光照條件下產生同樣優質的影像。如果不是出於產品的應用場景需要,增加畫素數量不僅沒有任何意義,還會導致頻寬和儲存空間被迫增加,使得系統其他元件的成本增加。

畫素大小

僅由畫素大小不足以確定畫素性能。我們不能想當然地假定更大的畫素必定帶來更好的影像品質。儘管不同光照條件下的畫素性能非常重要,而且畫素越大,就有更大的面積來收集光,但這不一定能夠提高影像品質。另外還有多個因素也同樣重要,包括解析度和畫素雜訊指標。

如果提高解析度對應用的影響大於減少單個畫素的影響,那麼畫素較小的感測器可能在性能上優於相同光學面積下畫素較大的感測器。重要的是,要確保接收到光子數量的能力足以形成高質量影像,因而畫素靈敏度(光電轉換效率)和應用環境非常重要。

在為應用選擇感測器時,畫素大小是個考慮因素。但是,人們可能過於誇大了它的重要性;它只是多個參數中的一個,對於其他幾個參數,也應給予同樣的認真考量。選擇感測器時,設計人員必須考慮目標應用的所有要求,然後在速度、靈敏度、影像品質上找到理想均衡,以實現合適的設計解決方案。

分割畫素設計

在很多應用中,盡可能地擴展動態範圍具有重要價值,有助於在最終影像中正確渲染陰影和高光,但這對於影像感測器可能具有很大的挑戰性。有些公司採用了一種名為「分割畫素」(split pixel)的技術,目的在於解決為光電二極體創造更多容量的難題,以便在二極體「飽和」之前收集電子。

在分割畫素方法中,專用於單個畫素的感測器區域被分為兩個部份:較大的光電二極體覆蓋大多數區域,較小的光電二極體使用剩餘區域。較大的光電二極體收集更多光子,在明亮光照條件下很容易飽和。較小的光電二極體可以暴露更長時間而不會飽和,因為可用於收集光子的面積較小。可以形象地將它們類比為使用水桶和水瓶來收集雨滴。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;而水瓶開口小,瓶身比較寬,收集起來比較慢。在低光照條件下使用更大的畫素,在明亮光照條件下使用更小的畫素,可以形成擴展的動態範圍。

Highest Complexitiy Semiconductor, from Photons to Image Output

1複雜的半導體,從光子到影像輸出。

 安森美(onsemi)為單個畫素增加了一個區域,讓多出來的訊號或電荷能夠溢出到該區域,從而解決了上述問題。想像一下,我們使用水桶來接雨滴,然後有一個更大的盆來接住從水桶溢出的水。「水桶」訊號易於讀取,具有很高的精度,因而我們能夠達到良好的低光照性能,更大的盆則容納了溢出的所有訊號,從而擴展了動態範圍。

XGS 16000 is a 16.0 Mp CMOS Image Sensor

21600萬畫素CMOS影像感測器XGS 16000。

如此一來,整個畫素區域用於低光照條件,而不會在明亮光照條件下出現飽和。飽和會降低影像品質,例如會使顏色失真,清晰度下降。安森的超級曝光(Super-Exposure)技術可在高動態範圍場景中提供更好的影像品質,適用於人眼視覺和機器視覺應用。

下次為您的設計選擇影像感測器時,要記住「更多更大並不一定更好」,至少對於畫素來說是這樣。

活動簡介

目前寬能隙(WBG)半導體的發展仍相當火熱,是由於經過近幾年市場證明,寬能隙半導體能確實提升各應用系統的能源轉換效率,尤其是應用系統走向高壓此一趨勢,更是需要寬能隙元件才能進一步提升能效,對實現節能環保,有相當大的助益。因此,各家業者也紛紛精進自身技術,並加大投資力道,提升寬能隙元件的產能,以因應市場所需。

本研討會將邀請寬能隙半導體元件關鍵供應商與供應鏈上下游廠商,一同探討寬能隙半導體最新技術與應用市場進展,以及業者佈局市場的策略。

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