初代——高成像質量

當Sony于2015年初宣布停產CCD芯片之后，這預示著CCD技術將在工業圖像處理以及許多其他領域謝幕。隨后，Sony推出了目前第四代全新CMOS芯片系列中的初代產品——IMX系列，該系列顯著提升了動態范圍，當時引起了市場轟動。 IMX系列初代芯片優勢： a.可縮短曝光時間； b.可選擇在圖像處理過程中所需的觸發和讀出選項，并支持以出色的質量來采集圖像； c.成像質量超過同價位的其他競品芯片。 IMX芯片之所以具備高成像質量，原因之一是Sony采用了一項名為Exmor的特殊技術。借助該技術，在讀出像素時，芯片記錄的降噪模擬信號可直接轉換為數字信號。這種方法使得IMX芯片有別于與其他制造商的芯片，不僅可以提高降噪性能，還可以實現更高的幀速率。

該芯片的另一個重要特性在于它所采用的快門。在采用滾動快門的芯片中，芯片的各個像素行將逐一進行曝光并讀出。在拍攝移動物體的應用中，這個過程會導致芯片各行出現延遲曝光，并且根據不同的檢測情況，還可能導致采集的圖像中出現失真。而采用全局快門技術的芯片則擁有不同的工作方式：芯片會同時讀出所有曝光的像素。這種方式確保它也可以采集被拍攝物體在移動時的圖像，或者在交通應用中確保移動車輛的圖像不會失真。

此外，Sony開發人員已經將多種功能集成到了這個為工業圖像處理行業帶來了巨大優勢的第一代IMX型號中，其中包括可定義較小的感興趣區域（ROI）。限制芯片的讀出面積可有助提高圖像采集速度，并減小在數據傳輸過程中圖像數據的大小。當只需要查看特定區域以進行物體檢測時，此功能始終可以發揮理想的作用。 IMX174和IMX249是第一代IMX芯片的型號，也稱為Pregius系列。這兩款全局快門芯片使用邊長為5.68μm的方形像素，分辨率為1920x1200像素，幀速率各不相同。IMX249支持41fps的幀速率，高速版型號IMX174甚至可達到驚人的166fps。 對于那些只需230萬像素的分辨率就足以解決手頭任務需求的應用，配備IMX174和IMX249芯片的相機如今依然不失為理想的選擇，因為它具備滿井容量高、性價比高并且動態范圍出色的特點。

第二代——高分辨率

在第二代IMX芯片中，Sony將像素尺寸減小到3.45μmx3.45μm，并在2016年底推出了分辨率為300萬像素（IMX252和IMX265）、500萬像素（IMX250和IMX264）、900萬像素（IMX255和IMX267）以及1200萬像素（IMX253和IMX304）的型號。這些芯片還能讓用戶享受到全局快門的優勢，并借助Exmor技術實現出色的成像質量。在速度方面，標準的第二代型號（IMX265、IMX264、IMX267和IMX304）的幀速率范圍為23-56fps，而高速版型號每秒可采集68-216fps。

第二代IMX芯片可支持的分辨率范圍顯著增加，且兩代IMX芯片在滿井容量方面有明顯的差異，第二代IMX芯片的滿井容量顯著低于第一代IMX芯片，但仍然與其他制造商生產的CMOS芯片的范圍值相當。不過，Sony在類似的像圈尺寸上成功將可實現的分辨率提高到原來的三倍，從而彌補了它在飽和容量方面的數值差異。

第三代——背照式技術

STARVIS系列與Pregius芯片第一代/第二代芯片之間最重要的區別特征就是STARVIS芯片所具備的滾動快門和背照式技術。這種芯片設計也被稱為BSI，它是Sony開發的一項復雜精妙的技術，可高效地解決應用難題。由于像素尺寸非常小，芯片上用于接收光線的可用像素區域與所需電子元件（如放大器或A/D轉換器）所占的面積比例并不協調。如果非光敏部分的面積增加，則會降低芯片的量子效率。 借助STARVIS系列，Sony提供了一種已經問世多年的強大芯片技術。這種技術最初僅限于幾個彩色芯片型號，并且主要用于監控領域。

自黑白STARVIS型號推出以來，這些芯片在工廠自動化應用中變得越來越受歡迎。這個Sony芯片系列原本是與Pregius系列并行開發的，最初只提供滾動快門，但后來也采用了全局快門技術。STARVIS芯片也標有IMX的縮寫字樣，并采用邊長在1.85μm-3.76μm之間的方形像素。 Sony通過將放大器和電子元件從芯片的正面挪到了背面，從而避免了傳統前照式結構芯片（FSI）中存在的這種問題。如此一來，就可以只把芯片的感光部分置于前方。這個設計技巧可以讓幾乎整個像素區域都用于光電響應，并減少來自電子元件自身的反射光。此外，BSI芯片的光敏平面高于傳統的FSI設計，這也有助于提高成像表現。

在前照式芯片（左圖）中，線路位于光敏像素區域上方。光線到達光電二極管之前必須通過某種類似“隧道”的結構，并且部分光線會受到電子元件的反射。在BSI技術（右圖）中，則可實現在光電二極管下方布線。 通過下圖的比較靈敏度和絕對閾值可看出效果差異，EMVA1288標準對此閾值進行了定義，并指出了芯片平均需要多少光線（即光子）才能產生有別于噪聲的充足信號。

第四代——工業應用升級

2020年，Sony推出了Pregius S芯片系列，其像素尺寸為2.74μmx2.74μm，分辨率為510萬-2450萬像素。標準型號IMX540、IMX541、IMX542、IMX545、IMX546和IMX547的幀速率為35-122fps，而高速版型號IMX530、IMX531、IMX532、IMX535、IMX536和IMX537甚至可實現106-259fps，從而可以對高速移動的物體進行檢測。 Pregius S芯片把為STARVIS系列開發的BSI技術優勢，與前兩代Pregius系列的全局快門技術相結合，并繼續提供Exmor降噪技術的優點。

選型

哪種CMOS芯片最能滿足應用需求是由手頭的任務性質來決定的。 如果應用場景為檢測高速移動的物體（如瓶子或印刷電路板），或體育運動領域中的動作分析，就必須盡可能快速精確地觸發相機。在這方面，Pregius芯片比STARVIS系列芯片表現更佳。對于Pregius芯片，從觸發到讀出圖像需時僅20μs左右，而STARVIS芯片則可能需要450μs或以上。因此，在精確觸發對成像質量至關重要的應用中，配備Pregius芯片的相機是更理想的選擇。 若需要一款性能符合要求的CMOS相機來替代舊型號，并且要求它具有與CCD技術相類似的特性。從經濟方面來看，選擇一款無需對現有光源和光學配件進行過多調整的CMOS芯片相機是合理的。

與STARVIS系列相比，Pregius系列芯片的規格與早期CCD相機的規格相似度更高，因此Pregius芯片更適合特別注重成像質量的應用。例如，Pregius系列中500萬像素的IMX264和IMX250型號版本可作為應用廣泛的ICX625CCD芯片的完美替代品。配備ICX824 CCD芯片的相機可輕松替換為搭載Pregius系列IMX267和IMX255芯片（分辨率為890萬像素）的相機型號，無需對系統的光學設置進行重大調整。 如果應用場景為靜止拍攝，那么配備滾動快門技術的STARVIS芯片就能滿足需求。

由于STARVIS芯片的像素尺寸非常小，因此還支持使用較小的芯片獲得更高的分辨率，但必須在選擇光學配件時首先考慮到這一點。 隨著芯片技術的發展，新型號的功能越來越多樣化。例如，在第二代Pregius系列中，Sony引入了多曝光觸發器，其中單個觸發脈沖信號可觸發芯片快速采集多個圖像，使相機能夠以不同的圖像亮度來拍攝物體。通過這種方式，就可以選出最佳圖像以供后續的圖像評估。此功能也可提供給第三代和第四代芯片的用戶使用。此外，第三代還有兩項創新功能，即在高速芯片中引入的自觸發功能和雙觸發功能。借助自觸發功能，用戶可以定義兩個不同的圖像區域。當在一個圖像區域中檢測到變化時，就會為另一個圖像區域拍攝圖像。此外，雙觸發功能支持為曝光時間和增益定義兩個不同值，并且可以相互獨立控制。難能可貴的是，所有第四代芯片均包含自觸發和雙觸發功能。這些示例表明，前幾代芯片的功能通常可以延續到下一個開發階段，繼續為用戶提供更豐富的選擇。

?

芯片開發的另一個重要趨勢是采用尺寸更小、分辨率更高的設計。這是通過縮小像素尺寸來實現的。由于生產過程取得的技術進步，像素尺寸正在逐漸變小。芯片的這種小型化趨勢也可能會讓相機的尺寸進一步縮小。 此外，在特定情況下，由于相機分辨率較高，從而減少了所用的相機數量。因此，某些相機系統可以進行有效的成本優化。Pregius系列芯片通常需要搭配價格高昂的1英寸鏡頭，但也可以轉而選擇芯片尺寸較小的PregiusS系列芯片，它們可以搭配價格更經濟、但功能同樣強大的鏡頭。這讓配備PregiusS芯片的相機深受市場歡迎。

編輯：黃飛

?