意法半導(dǎo)體正式發(fā)布其最新的 500 萬像素圖像傳感器VB1943、VB5943、VD1943 和 VD5943，該系列產(chǎn)品屬于ST BrightSense圖像傳感器產(chǎn)品家族，在安保監(jiān)控、機(jī)器人、機(jī)器視覺等應(yīng)用市場樹立了新的標(biāo)桿。這些傳感器分為單色和 RGB-IR兩種型號，整合全局快門、卷簾快門、先進(jìn)的3D 堆疊像素架構(gòu)，以及片上 RGB-IR圖像分離技術(shù)，成像性能和多功能性在業(yè)內(nèi)處于優(yōu)先水平。本文將深入探討該傳感器系列的重大創(chuàng)新之處，揭示其為何能夠真正改變市場格局。

選擇全局快門還是卷簾快門

全局快門

在產(chǎn)品設(shè)計初期，工程師需決定是用全局快門還是卷簾快門CMOS圖像傳感器，每種快門模式都是采用特殊的像素架構(gòu)與數(shù)據(jù)讀出架構(gòu)，因此，迄今為止，絕大多數(shù)圖像傳感器僅支持其中一種快門方法。

顧名思義，全局快門圖像傳感器是同時捕捉外部光源照射到整個傳感器上的光線，再依次讀出圖像信息。這需要額外增加電路和像素內(nèi)存儲單元，在將數(shù)據(jù)傳至處理器前暫存?zhèn)鞲衅鞑东@的信息。全局快門解決方案可以很好地滿足應(yīng)用對圖像精度和一致性的要求，因其能一次性捕捉整個場景，避免曝光期間運(yùn)動造成的畸變，可有效抑制運(yùn)動偽影和光線偽影。

全局快門雖然有上述優(yōu)勢，但是也有美中不足的地方。由于增加了像素內(nèi)電路，信息讀出速度通常較慢，能效較低，感光度較低。

卷簾快門

顧名思義，卷簾快門圖像傳感器是像素陣列逐行或數(shù)行依次曝光，像開啟卷簾一樣。每行曝光與數(shù)據(jù)處理同步進(jìn)行，逐漸構(gòu)建一幅完整幀。這種曝光方式比較簡單，無需全局快門的額外存儲單元和電路，因此，功耗較低，像素感光度較高。因為用于收集光線的像素面積較大，卷簾快門在弱光環(huán)境下成像質(zhì)量更好。因此，卷簾快門CMOS傳感器被廣泛用于大多數(shù)消費電子產(chǎn)品。然而，由于沒有中間存儲單元同步暫存整個幀，卷簾快門的成像容易產(chǎn)生畸變和偽影;此外，在所有行依次曝光過程中，光源必須保持點亮狀態(tài)，這會增加整體光源成本。

兩全其美

意法半導(dǎo)體的全局卷簾雙快門模式讓用戶可同時享受兩種技術(shù)的優(yōu)勢：全局快門的無偽影的拍攝，卷簾快門片上HDR(高動態(tài)范圍)技術(shù)實現(xiàn)的出色畫質(zhì)。通過設(shè)置寄存器可以選擇工作模式，支持幀間無縫切換，在無畸變的全局快門成像與高動態(tài)范圍的卷簾快門圖像之間靈活切換。

雙快門模式雖然是一項明顯的改進(jìn)，但是也是一個巨大的架構(gòu)挑戰(zhàn)，意法半導(dǎo)體已成功攻克了這些難題。過去，在卷簾快門傳感器中集成全局快門功能需要增加復(fù)雜的底層電路，這會導(dǎo)致傳感器尺寸增大、成本上升，像素感光度降低，進(jìn)而影響HDR性能并增加噪聲。借助在一顆芯片內(nèi)垂直堆疊多個晶片的先進(jìn)3D堆疊技術(shù)，意法半導(dǎo)體成功解決了這些問題，打造出一款沒有常規(guī)缺點的兼具兩種快門優(yōu)勢的傳感器。

3D堆疊技術(shù)讓傳感器更智能

上層晶片

意法半導(dǎo)體自主開發(fā)一個雙片圖像傳感器架構(gòu)。頂層晶片采用65納米制造工藝，包含2.25微米像素和存儲節(jié)點。簡而言之，我們利用深槽隔離(Deep Trench Isolation)或電容式深槽隔離(CDTI)技術(shù)，將電容垂直嵌入到晶片內(nèi)。因為在晶片表面放置電容將會增加器件尺寸，所以，我們采用在晶片內(nèi)制作又深又窄的溝槽，將電容器查入像素之間，利用全深度深槽隔離來防止串?dāng)_。因此，我們既能開發(fā)尺寸更大的像素，又能設(shè)計出兼容全局快門模式的架構(gòu)。

下層晶片

下層晶片采用40納米制造工藝，包含數(shù)字電路和模擬電路。因為下層邏輯電路沒有占用像素層空間，這種設(shè)計方法確保像素層能捕獲更多光線。這也是我們能夠在不增加器件整體尺寸或價格的情況下，實現(xiàn)500萬像素分辨率的關(guān)鍵原因。這種雙片方案采用ST歐洲300毫米晶片廠開發(fā)的制造技術(shù)，因此，我們能夠高效生產(chǎn)并鍵合這兩個晶片，在提供雙快門模式的同時，競爭力不輸于同類僅支持全局快門500萬像素CMOS傳感器。

此外，3D堆疊技術(shù)允許直接在傳感器內(nèi)部嵌入額外電路和片上處理功能，打造更智能、更高性能的圖像傳感器，同時，能減輕主處理器的工作量，例如VD1943和VB1943 RGB-IR的RGB-IR轉(zhuǎn)換和智能圖像增強(qiáng)功能。

彩色圖像與紅外圖像無縫切換

從單色到RGB-IR彩色

為滿足不同應(yīng)用的需求，該系列傳感器提供單色和彩色兩款圖像傳感器。VD5943和VB5943可輸出高質(zhì)量單色圖像，非常適合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以及依賴灰度成像的產(chǎn)線產(chǎn)品檢測、條形碼掃描等應(yīng)用場景。

相反，VD1943和VB1943采用一種獨特的像素結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)RGB子像素結(jié)構(gòu)加近紅外(NIR)子像素結(jié)構(gòu)，提升了全局快門和卷簾快門模式的成像性能

在全局快門模式下，近紅外子像素的曝光時間較長，以捕獲關(guān)鍵信息，讓VD1943和VB1943能夠輸出高準(zhǔn)確度的近紅外圖像，媲美專用單色圖像傳感器，安保監(jiān)控、電子收費等應(yīng)用開發(fā)者只用一個傳感器就能實現(xiàn)彩色和單色成像。此外，若企業(yè)打算只用一個器件型號設(shè)計產(chǎn)品，不妨選擇VD1943，在獲得彩色圖像的同時，還能獲得高畫質(zhì)單色圖像，確保推理結(jié)果準(zhǔn)確無誤。

在卷簾快門模式下，近紅外子像素在提高色彩準(zhǔn)確度方面至關(guān)重要。紅色像素也對近紅外波長敏感，會導(dǎo)致色彩還原失真。意法半導(dǎo)體的傳感器不依賴外部紅外截止濾光片或復(fù)雜的處理運(yùn)算，而是利用近紅外子像素數(shù)據(jù)隔離其它彩色通道，從中提取紅外頻譜，從而實現(xiàn)更準(zhǔn)確的色彩保真度、更高的信噪比，提升整體圖像質(zhì)量。

自動彩色/紅外切換

意法半導(dǎo)體RGB-IR傳感器具備片上RGB-IR圖像分離功能，節(jié)省了外部配套芯片，大幅簡化了系統(tǒng)設(shè)計。該集成方案還內(nèi)置了去馬賽克功能，降低了軟件復(fù)雜度和處理工作量。該傳感器支持多種可配置輸出格式，包括全分辨率500萬像素RGB-NIR 4×4像素分組、原生500萬像素RGB Bayer模式、127萬像素近紅外子采樣，以及500萬像素近紅外智能增強(qiáng)模式，每個通道都有獨立曝光控制。智能增強(qiáng)功能確保彩色和近紅外成像均能實現(xiàn)全500萬像素分辨率，輸出高保真數(shù)據(jù)流，沒有任何妥協(xié)和讓步。

此外，用戶只設(shè)置一次寄存器，即可在彩色和近紅外輸出之間輕松切換，快速適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。片上集成完整功能，有助于降低物料成本，簡化軟件開發(fā)，并提升整體系統(tǒng)的靈活性和性能。