作者： 安森美智能感知事業部Geoff Ballew

圖像傳感器的應用日益普及，特別是在安防、工業和汽車應用領域。很多汽車現在都配備了至少五個以上基于圖像傳感器的攝像頭。但是，圖像傳感器技術不同于標準半導體技術，存在著一些錯誤認知。

摩爾定律和圖像傳感器

有些人假設著名的“摩爾定律”也適用于圖像傳感器。戈登·摩爾（Fairchild半導體公司的創始人，Fairchild半導體現在是安森美的一部分）指出，集成電路 (IC) 上的晶體管數量每兩年增加一倍。為了將兩倍數量的晶體管放置在單個器件上，縮小晶體管是主要實現方式。這種趨勢已經持續了數十年，但近年晶體管數量增長速度有所減緩。晶體管密度增大還導致單位晶體管成本降低，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。

但圖像傳感器卻有所不同，因為它的一些重要部件不會隨著晶體管變小而擴增。具體來說，圖像傳感器的光學元件比如光電二極管（將入射光轉換為電信號）和一些模擬元件（將電信號轉換為數字圖像）不能像數字邏輯元件那樣簡單地擴增。在傳感器中，圖像捕獲主要采用模擬技術，由數字電路將來自每個像素的數字數據轉換為圖像，這些圖像可以被存儲、顯示或用于人工智能機器視覺。

如果像素數量每兩年增長一倍，同時鏡頭尺寸保持不變，那么像素將會變小，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更少）。因此，傳感器必須在單位面積靈敏度和降低噪聲方面表現更加出色，才能在低光照條件下生成同樣優質的圖像。如果不是出于產品的應用場景需要，增加像素數量不僅沒有任何意義，還會導致帶寬和存儲空間被迫增加，使得系統其他部件的成本上升。

像素大小

僅通過像素大小不足以確定像素性能。我們不能想當然地假定更大的像素必定帶來更好的圖像質量。盡管不同光照條件下的像素性能非常重要，而且像素越大，就有更大的面積來收集光，但這不一定能夠提高圖像質量。另外還有多個因素也同樣重要，包括分辨率和像素噪聲指標。

如果提高分辨率對應用的影響大于減少單個像素的影響，那么像素較小的傳感器可能在性能上優于相同光學面積下像素較大的傳感器。重要的是，要確保接收到光子的數量的能力足以形成高質量圖像，因而像素靈敏度（光電轉換效率）和應用環境非常重要。

在為應用選擇傳感器時，像素大小是個考慮因素。但是，人們可能過于夸大了它的重要性；它只是多個參數中的一個，對于其他幾個參數，也應給予同樣的認真考量。選擇傳感器時，設計人員必須考慮目標應用的所有要求，然后在速度、靈敏度、圖像質量上找到理想平衡，以實現合適的設計解決方案。

大小像素設計

在很多應用中，盡可能地擴展動態范圍具有重要價值，有助于在最終圖像中正確渲染陰影和高光，但這對于圖像傳感器可能具有很大的挑戰性。有些公司采用了一種名為“大小像素”的技術，目的是解決為光電二極管創造更多容量的難題，以便在二極管“飽和”之前收集電子。

在大小像素方法中，專用于單個像素的傳感器區域被分為兩個部分：較大的光電二極管覆蓋大多數區域，較小的光電二極管使用剩余區域。較大的光電二極管收集更多光子，在明亮光照條件下很容易飽和。較小的光電二極管可以暴露更長時間而不會飽和，因為可用于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像素，在明亮光照條件下使用更小的像素，可以形成擴展的動態范圍。

圖 1：復雜的半導體，從光子到圖像輸出

安森美為單個像素增加了一個區域，讓多出來的信號或電荷能夠溢出到該區域，從而解決了上述問題。想象一下，我們使用水桶來接雨滴，然后有一個更大的盆來接住從水桶溢出的水。“水桶”信號易于讀取，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信號，從而擴展了動態范圍。這樣，整個像素區域用于低光照條件，而不會在明亮光照條件下出現飽和。飽和會降低圖像質量，例如會使顏色失真，清晰度下降。安森美的超級曝光技術可在高動態范圍場景中提供更好的圖像質量，適用于人眼視覺和機器視覺應用。

圖 2：XGS 16000 是一款 1600 萬像素 CMOS 圖像傳感器

下次為您的設計選擇圖像傳感器時，要記住“更多更大并不一定更好”，至少對于像素來說是這樣。