Sony CMOS晶元都一樣嗎？看完這份測評報告，你將知道得更多！
數月以來，關於Sony Pregius晶元的報告層出不窮。本期白皮書將展示IMX174或IMX250等CMOS晶元名稱背後的意義，以及它們的相同之處與差異。我們也會將Pregius晶元與Sony另一主要CMOS系列（即STARVIS晶元）區分介紹。
1. Pregius系列晶元
Sony Pregius系列是基於CCD晶元結構的CMOS晶元。數十年來，Sony不斷完善CCD晶元，使其在市場上大獲成功。然而，在工業圖像處理領域，CMOS晶元已是大勢所趨，故Sony也需要順應潮流的發展。
1.1 結構
為了讓新的CMOS晶元保持甚至超越CCD晶元的出色圖像質量，Sony新開發的Pregius系列採用了全局快門像素，與此前擁有相似優秀雜訊特點的CCD像素相比，新系列的表現與之前一樣出色，甚至有所超越。
Sony在此系列中運用了Exmor技術，可在平行柱讀取像素的過程中，將降噪模擬信號直接轉換為數字信號。這一技術不但改善了雜訊特點，同時提升了速度。
圖1：傳統讀取結構與Exmor讀取結構的比較
上述系列專為工業圖像處理而開發，可提供較短的曝光時間以及精確的觸發信號，同時延時極短、效率出色。
1.2 第一代產品
新晶元系列的第一代產品包括IMX174和IMX249晶元。它們的像素間距為5.86 μm，解析度為1920 x 1200像素，因此Sony舊版CCD晶元中並無1:1完全相同的型號。
這兩款晶元已經表明了Sony推出產品的方式，即在相同像素類型的基礎上提供兩款晶元，但其速度和晶元特點有所不同。Sony後來推出了更簡便的版本，每款的價格也更實惠，它們在圖像質量方面的差異也較小。
第一代Pregius晶元最顯著的特點，是擁有超過32 ke的高飽和容量。
1.3 第二代產品
隨著Pregius系列第二代產品的出現，Sony推出了更小的3.45 μm像素尺寸。
像素展示了光轉化為電子時的特點的不同之處。它的量子效率(QE)特點與第一代有很大差別。在曲線最高點的較高波長範圍中存在輕微轉變，這更能表明不同的像素類型會在圖像性能中相應地展現不同之處。
圖2：對兩代PREGIUS晶元的量子效率進行比較：
第一代產品以acA1920- 50gm (IMX174)為例
第二代產品則以acA2440-20gm (IMX264)為例
而在EMVA1288中略有差別的值也表明了像素設計稍有不同：
由於第二代晶元的像素尺寸較小，它們的飽和容量大大降低，因此其性能數值與CMOS晶元的典型值更為相似。
但這些晶元也使用了Exmor技術。從上面的表格可得知，它們的雜訊特點十分出眾。
1.4 功能
在特色功能方面，Pregius系列也有專為工業圖像處理而設計的功能。它為頻繁使用的應用提供一個功能，可以設定更小範圍的關注區域(ROI)，以提升速度和減少數據載入。
如需要特別關注較小圖像部分的檢測應用（例如在印刷電路板檢測應用中），就時常用到這項功能。在PCB檢測中，特定的組件往往對組裝功能起著重要作用。
2. STARVIS系列晶元
STARVIS系列的晶元完全不同於其他晶元，此系列也包括CMOS晶元，然而其晶元型號中也帶有IMX的字樣。
STARVIS晶元家族已經推出和使用了較長時間，主要用於監測領域。因此，它們最初只推出了彩色晶元。如今情況已有所改變：隨著新一代黑白型號晶元的推出，工廠自動化應用對這些晶元愈發感興趣。因此，工業圖像處理領域目前也會接觸到這一系列的晶元。
2.1 結構
STARVIS系列具備滾動快門晶元，像素尺寸較小，最高僅為1.85 μm。此系列產品以IMX178和IMX226晶元為代表，相關數據枚舉如下：
此系列晶元的一個重要特點在於其背照式的設計。
2.1.1 背面照明
由於像素尺寸較小，傳統的晶元製造方法很難採集到充足的光線。因為像素的部分構成對光線採集並無促進作用，例如放大器或A/D轉換器通常安裝於晶元接觸光線的一端，這意味著它們佔據了緊鄰各像素感光面的部分表面。
當像素越小時，感光面上會有更大的區域無法用於產生電子。針對STARVIS系列晶元的像素尺寸而言，由於這些幾近「失明」的結構所佔的比例較大，從而導致普通設計中的量子效率極為低下。因此，Sony運用了一種技巧：背面照明。
背面照明最初是隨著智能手機行業對解析度的要求越來越高而出現的一種改良技術。雖然「背面」照明的晶元採用的是正常的生產流程來製造，即在晶片表面裝上所需的電子結構，但之後會將晶元的方向調轉，以便讓真正的放大器和測量電子元件轉移到晶元背部。然後，晶元的感光部分便可置於前方。
也就是說， 感光晶片結構與提供支持的晶片結構無需在同一表面爭奪空間， 從而讓感光部分的表面得以擴大，同時又不會干擾測量電子元件工作。這種技巧可以將幾乎整個像素表面用作光電感應。
圖3：前照式與背照式技術的比較
Sony將這項技術與Exmor系列的低雜訊讀數和高速的優勢相結合， 將這一組合稱為Exmor R技術。
STARVIS系列的型號僅包含使用這項技術的晶元，同時對相鄰近紅外範圍的波長稍做優化，讓它們即使在夜間時分也能拍攝出優質的監測圖像。
2.1.2 功能
IMX178和IMX226晶元專為區域監測而設計。從工業圖像處理的角度來看，這種設計具有一些功能上的局限性。
晶元通常僅僅為自由運作或連續錄像而設，而工廠自動化中慣用的觸發單張圖像的拍攝功能卻並非設計的初衷。
同樣的，1200萬像素的IMX226晶元，僅僅是為了近全解析度或全解析度(8k)的操作而開發。
因此，在獲得更高速度的同時無法縮減ROI讀數，但ROI已成為工業圖像處理的慣用概念。
2.2 EMVA1288
然而，背面照明技術讓Sony得以在像素尺寸較小的情況下，表現出優秀的EMVA數值。
圖4：acA3088-16gm (IMX178)的量子效率在各波長範圍的應用
3. 靈敏度比較
晶元靈敏度特別值得關注，因為Sony將其視為STARVIS系列的重點。這裡的靈敏度是指晶元所需的光線程度和光子數量，以便在雜訊中產生顯著的信號。
以下是EMVA1288標準提供的「靈敏度絕對閾值」的測量值。它表明了信噪比精確到1時所需的平均光子數量。
由此可推斷，Pregius系列第二代晶元的靈敏度最高，緊隨其後的是STARVIS系列。
4. 主要產品差異以及其對應用所帶來的意義
STARVIS和Pregius快門之間的區別會大大影響到潛在的合適應用
滾動快門讓許多應用無法拍攝測量物體或相機運動，因為這會導致失真而影響正常圖像處理。交通領域的應用就是一個貼切例子，例如收費系統的自動牌照識別，或超速、闖紅燈等執法應用。
相機觸發速度的不同
配備Pregius晶元的觸發器比STARVIS系列的觸發器更為快速和精準，為一些要求觸發器精準啟動的應用帶來便利，如3D或其他多相機應用中需要隨後對多張圖像進行合併編輯。相關的應用例子包括空瓶檢測、體育分析，或電路板的自動光學檢測(AOI)。
圖5：讀數時間的差異
一般而言，具有開拓性的Pregius晶元經得起未來的考驗，正逐漸替代舊版CCD晶元的地位。
具備500萬像素的衍生型號（即IMX264 和IMX250），可以替代ICX625這款CCD晶元；而IMX267和IMX255也可作為ICX824的替換產品。
由這些晶元所匹配的相機可用作各類型的升級，或可作為其他相機的替代品，同時無需對系統的光學設定進行重大調整。
相反，STARVIS晶元與Pregius系列相比，則具有明顯的成本效益。
對於不受上述不利因素影響的應用，STARVIS晶元可以在不怎麼移動的情況下獲得出色的圖像質量。即使晶元的像素尺寸變得更小，較小尺寸的晶元同樣可以獲得較高解析度。但是在選擇光學配件的時候，需要將這些情況納入考慮範圍。
5.總結
顯然，IMX晶元並非全都一樣。即便是在Pregius晶元系列之中， 各代產品之間依然在產品構思和運作方式方面存在巨大差異。當比較Pregius系列與STARVIS晶元時，這種區別則更明顯。
因此，我們需要對應用要求以及各種晶元的性能範圍進行仔細評估，此項工作尤為重要。
但所有的IMX晶元都有一個共同點：它們出色的圖像質量讓Sony成為一流的高品質晶元製造商，並在CMOS市場坐擁一席之地。
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