這些圖像傳感器擅長(zhǎng)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(wèn)題。

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

與芯片級(jí)器件不同，大面陣成像傳感器對(duì)晶圓級(jí)缺陷非常敏感。傳感器供應(yīng)商通過(guò)采用比汽車市場(chǎng)更嚴(yán)格的制造設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)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(xué)、活體成像、x射線和顯微鏡等應(yīng)用，使像素之間的光照有很大差異，或者靈敏度是關(guān)鍵應(yīng)用參數(shù)，只能用大像素實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用所需要的。這里的“大”是指尺寸大于10微米。

01

CCD還是CMOS

在機(jī)器視覺(jué)行業(yè)，一個(gè)長(zhǎng)期存在的爭(zhēng)論圍繞著“CCD和CMOS圖像傳感器的比較優(yōu)勢(shì)”展開(kāi)。過(guò)去，CCD傳感器在高質(zhì)量成像上被認(rèn)為優(yōu)于CMOS。然而，在手機(jī)相機(jī)CMOS傳感器上大量投資的推動(dòng)下，CMOS現(xiàn)在已經(jīng)成為主導(dǎo)技術(shù)。事實(shí)上，索尼在2015年就停止了CCD的生產(chǎn)，并將在2026年停止對(duì)CCD的支持。 然而，CCD傳感器在某些應(yīng)用中仍然具有優(yōu)勢(shì)，例如光譜學(xué)，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(zhǎng)曝光時(shí)間時(shí)的最佳選擇之一。然而，CCD傳感器通常具有較慢的讀取時(shí)間和較高的讀取噪聲，這限制了它們?cè)谛枰咚俪上窕騿畏肿屿`敏度水平的應(yīng)用中的運(yùn)用。CMOS技術(shù)也已經(jīng)進(jìn)步到與CCD傳感器的高量子效率相匹配，同時(shí)提供相當(dāng)?shù)陌惦娏鳌MOS技術(shù)的復(fù)雜性使其難以擴(kuò)展到更大的幅面，但技術(shù)的改進(jìn)克服了這一缺點(diǎn)。 大像幅傳感器在CMOS和CCD的討論中呈現(xiàn)出自己的亮點(diǎn)。諸多使用大型傳感器的低光應(yīng)用需要對(duì)傳感器進(jìn)行冷卻，以減少長(zhǎng)時(shí)間曝光過(guò)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(lái)更適合需要更長(zhǎng)曝光時(shí)間的應(yīng)用。 過(guò)去的幾年，在開(kāi)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(jìn)展。該技術(shù)帶來(lái)了在長(zhǎng)曝光模式下大幅降低功耗的可能性，從而相應(yīng)地減少暗電流。 此外還開(kāi)發(fā)了新技術(shù)來(lái)減輕大型CMOS傳感器的輝光效應(yīng)。這種效應(yīng)會(huì)限制暗電流的減少，因?yàn)樵谟性雌脳l件下，傳感器本身會(huì)發(fā)出少量的光。Teledyne與其合作伙伴合作進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)，通過(guò)使用淺溝槽和鋁層來(lái)阻擋傳感器產(chǎn)生的光，減少暗電流的產(chǎn)生及其影響。

02

大面陣的優(yōu)點(diǎn)

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(huì)受到青睞呢？其優(yōu)點(diǎn)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(guān)鍵參數(shù)，只能通過(guò)大像素實(shí)現(xiàn)的應(yīng)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(dòng)態(tài)范圍。 與芯片級(jí)設(shè)備不同，大面陣成像傳感器對(duì)晶圓級(jí)缺陷非常敏感。傳感器供應(yīng)商通過(guò)采用比汽車市場(chǎng)更嚴(yán)格的制造設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)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(wú)法實(shí)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(chǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，這取決于像素大小。這在對(duì)大尺寸樣本進(jìn)行高分辨率成像時(shí)非常重要，例如在顯微鏡、天文學(xué)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。

03

大面陣傳感器的利弊

小像素尺寸意味著每個(gè)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(guān)。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(huì)迅速轉(zhuǎn)化為更高或更低的靈敏度。當(dāng)良好的光照可以幫助補(bǔ)償較低的響應(yīng)時(shí)的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用，靈敏度可能影響不大，但對(duì)于缺乏主動(dòng)光照的傳感和科學(xué)應(yīng)用，靈敏度非常重要。 然而，大面陣傳感器也有一些缺點(diǎn)。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(gè)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?yàn)樗鼈冊(cè)试S在每幀內(nèi)對(duì)整個(gè)對(duì)象進(jìn)行成像，還因?yàn)楦蟮南袼卦试S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(zhǎng)的成像曝光時(shí)間。因此，這種成像經(jīng)常使用大面陣CCD傳感器和相機(jī)。(Teledyne提供) 芯片級(jí)傳感器對(duì)晶圓缺陷的靈敏度也較低。晶圓上的單個(gè)缺陷可能產(chǎn)生單個(gè)不良器件，更小的傳感器可以由來(lái)自同一晶圓上的另一個(gè)傳感器代替。相比之下，替換晶圓級(jí)傳感器則需要一個(gè)全新的晶圓和制造流程。大面陣成像傳感器還會(huì)產(chǎn)生更高的封裝成本，因?yàn)榫S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(chǎng)規(guī)模更大，這通常會(huì)帶來(lái)生產(chǎn)成本方面的規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

04

對(duì)集成的影響

大面陣傳感器的尺寸不一定會(huì)影響集成。高像素?cái)?shù)并不意味著傳感器具有大物理尺寸。例如，佳能的250萬(wàn)像素傳感器實(shí)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(xué)或鏡頭集成。更大的傳感器通常有利于與望遠(yuǎn)鏡上的大焦平面一起使用，或在不使用光學(xué)器件的情況下直接成像時(shí)使用，如x射線應(yīng)用。 然而，大規(guī)模傳感器的集成具有獨(dú)特的含義，必須在設(shè)計(jì)過(guò)程中予以考慮。 如前所述，晶圓級(jí)傳感器對(duì)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(yīng)商通過(guò)采用甚至比汽車市場(chǎng)使用的更嚴(yán)格的制造設(shè)計(jì)（DFM）規(guī)則，提高了大規(guī)模傳感器的可靠性。此外，專利保護(hù)的冗余技術(shù)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。

05

大面陣應(yīng)用

線掃描相機(jī)通常受到諸如在傳送帶上檢查貨物這類應(yīng)用的青睞，在這些場(chǎng)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(wù)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?yàn)樗鼈冊(cè)试S在每幀內(nèi)對(duì)整個(gè)對(duì)象進(jìn)行成像，還因?yàn)楦蟮南袼卦试S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(zhǎng)時(shí)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(jī)。 事實(shí)上，大面陣圖像傳感器的尺寸高度依賴于應(yīng)用的需求。例如，電子顯微鏡對(duì)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(xì)節(jié)，但它們需要放置在離顯微鏡更遠(yuǎn)的地方以實(shí)現(xiàn)正確的聚焦，這又限制了傳感器的尺寸。 三維疊棧技術(shù)是一種擴(kuò)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(gè)較小設(shè)備組成的相鄰對(duì)接的大規(guī)模圖像傳感器創(chuàng)造出新的機(jī)會(huì)。盡管目前的設(shè)計(jì)在每邊施加了大約200微米的盲區(qū)，但在未來(lái)幾年內(nèi)，持續(xù)的進(jìn)步將減少該區(qū)域，并允許開(kāi)發(fā)幾乎零盲區(qū)的對(duì)接設(shè)備。 隨著成像技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用的傳感器和相機(jī)也在發(fā)展。從基因治療到天文學(xué)，各種用例繼續(xù)推動(dòng)著大面陣傳感器的邊界，并將通過(guò)研究和開(kāi)發(fā)帶來(lái)更大的技術(shù)進(jìn)步。

審核編輯 ：李倩