這些圖像傳感器擅長在盡可能大的區(qū)域內(nèi)獲取最大量的圖像數(shù)據(jù)。但它們也有一些需要注意的問題。

傳感器制造商通過縮減像素大小，增加像素數(shù)量，不斷尋求提高產(chǎn)品的分辨率和性能。然而，一些應用需要大面陣傳感器和獨特結(jié)構(gòu)，以便在挑戰(zhàn)性條件下捕捉圖像。

與芯片級器件不同，大面陣成像傳感器對晶圓級缺陷非常敏感。傳感器供應商通過采用比汽車市場更嚴格的制造設計規(guī)則來減輕這些缺陷的潛在影響。(Teledyne提供)

包含大像素的大面陣傳感器通常用于天文學、活體成像、x射線和顯微鏡等應用，使像素之間的光照有很大差異，或者靈敏度是關鍵應用參數(shù)，只能用大像素實現(xiàn)的應用所需要的。這里的“大”是指尺寸大于10微米。

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CCD還是CMOS

在機器視覺行業(yè)，一個長期存在的爭論圍繞著“CCD和CMOS圖像傳感器的比較優(yōu)勢”展開。過去，CCD傳感器在高質(zhì)量成像上被認為優(yōu)于CMOS。然而，在手機相機CMOS傳感器上大量投資的推動下，CMOS現(xiàn)在已經(jīng)成為主導技術。事實上，索尼在2015年就停止了CCD的生產(chǎn)，并將在2026年停止對CCD的支持。 然而，CCD傳感器在某些應用中仍然具有優(yōu)勢，例如光譜學，它們能在其中提供高量子效率和低暗電流，使得它們成為需要更長曝光時間時的最佳選擇之一。然而，CCD傳感器通常具有較慢的讀取時間和較高的讀取噪聲，這限制了它們在需要高速成像或單分子靈敏度水平的應用中的運用。CMOS技術也已經(jīng)進步到與CCD傳感器的高量子效率相匹配，同時提供相當?shù)陌惦娏鳌MOS技術的復雜性使其難以擴展到更大的幅面，但技術的改進克服了這一缺點。 大像幅傳感器在CMOS和CCD的討論中呈現(xiàn)出自己的亮點。諸多使用大型傳感器的低光應用需要對傳感器進行冷卻，以減少長時間曝光過程中的暗電流。這些大尺寸傳感器特別是CMOS芯片的熱管理是困難的，這使得CCD看起來更適合需要更長曝光時間的應用。 過去的幾年，在開發(fā)具有低功耗采集模式的大面陣低噪聲CMOS圖像傳感器方面取得了許多進展。該技術帶來了在長曝光模式下大幅降低功耗的可能性，從而相應地減少暗電流。 此外還開發(fā)了新技術來減輕大型CMOS傳感器的輝光效應。這種效應會限制暗電流的減少，因為在有源偏置條件下，傳感器本身會發(fā)出少量的光。Teledyne與其合作伙伴合作進行技術開發(fā)，通過使用淺溝槽和鋁層來阻擋傳感器產(chǎn)生的光，減少暗電流的產(chǎn)生及其影響。

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大面陣的優(yōu)點

世界朝著讓一切更小、更快、更便宜的方向發(fā)展，為什么大面陣傳感器會受到青睞呢？其優(yōu)點是什么？ 小型傳感器意味著使用小像素。但是在像素之間的光照有很大差異，或者靈敏度是關鍵參數(shù)，只能通過大像素實現(xiàn)的應用中，這樣的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)就不太好了。大像素能夠提供更高的滿阱容量，且在讀出噪聲較低的情況下增加動態(tài)范圍。 與芯片級設備不同，大面陣成像傳感器對晶圓級缺陷非常敏感。傳感器供應商通過采用比汽車市場更嚴格的制造設計規(guī)則來減輕這些缺陷的潛在影響。(Teledyne提供) 大面陣圖像傳感器能做到小型傳感器無法實現(xiàn)的性能。除了能夠?qū)崿F(xiàn)更高的傳感器集成，它們還可以在更大的視場內(nèi)實現(xiàn)更高的分辨率，這取決于像素大小。這在對大尺寸樣本進行高分辨率成像時非常重要，例如在顯微鏡、天文學和x射線成像中。擁有高分辨率的傳感器還可以在保持高圖像質(zhì)量的情況下放大圖像。

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大面陣傳感器的利弊

小像素尺寸意味著每個像素捕獲的光子更少。因此，傳感器上的像素大小直接與其靈敏度相關。由于傳感器的面積是像素大小的平方，即使是像素尺寸的輕度變化也會迅速轉(zhuǎn)化為更高或更低的靈敏度。當良好的光照可以幫助補償較低的響應時的機器視覺應用，靈敏度可能影響不大，但對于缺乏主動光照的傳感和科學應用，靈敏度非常重要。 然而，大面陣傳感器也有一些缺點。由于芯片良率和封裝方面的考慮，它們的成本通常更高，甚至比使用多個更小的傳感器還高。 臨床前活體成像受益于更大的傳感器和像素尺寸，不僅僅因為它們允許在每幀內(nèi)對整個對象進行成像，還因為更大的像素允許捕獲最大量的光。由于臨床前體內(nèi)成像受到可用光線的極大限制，因此需要較長的成像曝光時間。因此，這種成像經(jīng)常使用大面陣CCD傳感器和相機。(Teledyne提供) 芯片級傳感器對晶圓缺陷的靈敏度也較低。晶圓上的單個缺陷可能產(chǎn)生單個不良器件，更小的傳感器可以由來自同一晶圓上的另一個傳感器代替。相比之下，替換晶圓級傳感器則需要一個全新的晶圓和制造流程。大面陣成像傳感器還會產(chǎn)生更高的封裝成本，因為維持封裝規(guī)格所需的工具更昂貴。此外，小型傳感器和封裝的市場規(guī)模更大，這通常會帶來生產(chǎn)成本方面的規(guī)模經(jīng)濟優(yōu)勢。

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對集成的影響

大面陣傳感器的尺寸不一定會影響集成。高像素數(shù)并不意味著傳感器具有大物理尺寸。例如，佳能的250萬像素傳感器實際上比普通的全幀傳感器更小，因此可以輕松地與現(xiàn)有的光學或鏡頭集成。更大的傳感器通常有利于與望遠鏡上的大焦平面一起使用，或在不使用光學器件的情況下直接成像時使用，如x射線應用。 然而，大規(guī)模傳感器的集成具有獨特的含義，必須在設計過程中予以考慮。 如前所述，晶圓級傳感器對晶圓缺陷非常敏感，這使得生產(chǎn)良率成為重要的考慮因素。Teledyne DALSA和其他傳感器供應商通過采用甚至比汽車市場使用的更嚴格的制造設計（DFM）規(guī)則，提高了大規(guī)模傳感器的可靠性。此外，專利保護的冗余技術被用于提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器和外圍傳感器電路的良率可靠性。

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大面陣應用

線掃描相機通常受到諸如在傳送帶上檢查貨物這類應用的青睞，在這些場景中，協(xié)議是明確定義的，成本效益為優(yōu)先考慮。成像任務需要在盡可能大的區(qū)域內(nèi)最大限度地獲取數(shù)據(jù)，因此需要大面陣傳感器。 例如，臨床前活體成像受益于更大的傳感器和像素尺寸，不僅僅因為它們允許在每幀內(nèi)對整個對象進行成像，還因為更大的像素允許捕獲最大量的光。由于臨床前活體成像受到可用光線的極大限制，操作中需要長時間的成像曝光。因此，這類成像經(jīng)常使用大面陣CCD傳感器和相機。 事實上，大面陣圖像傳感器的尺寸高度依賴于應用的需求。例如，電子顯微鏡對傳感器的尺寸施加了限制。更大的傳感器可以提供更好的細節(jié)，但它們需要放置在離顯微鏡更遠的地方以實現(xiàn)正確的聚焦，這又限制了傳感器的尺寸。 三維疊棧技術是一種擴展圖像傳感器尺寸的新方法。它提供了在像素陣列下集成所有外圍電路的可能性，并為創(chuàng)建由多個較小設備組成的相鄰對接的大規(guī)模圖像傳感器創(chuàng)造出新的機會。盡管目前的設計在每邊施加了大約200微米的盲區(qū)，但在未來幾年內(nèi)，持續(xù)的進步將減少該區(qū)域，并允許開發(fā)幾乎零盲區(qū)的對接設備。 隨著成像技術應用的發(fā)展，實現(xiàn)這些應用的傳感器和相機也在發(fā)展。從基因治療到天文學，各種用例繼續(xù)推動著大面陣傳感器的邊界，并將通過研究和開發(fā)帶來更大的技術進步。

審核編輯 ：李倩