對圖像傳感器來說，像素越多越大就越好嗎？

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本文作者：Geoff Ballew

圖像傳感器的應用日益普及，特別是在安保、工業(yè)和汽車應用領域，很多汽車現(xiàn)在都配備了至少五個以上基于圖像傳感器的攝像頭。但是，圖像傳感器技術不同于標準半導體技術，存在著一些錯誤認知。

有些人假設著名的“摩爾定律”也適用于圖像傳感器。戈登·摩爾（Fairchild半導體公司的創(chuàng)始人，F(xiàn)airchild半導體現(xiàn)在是安森美(onsemi)的一部分）指出，集成電路 (IC) 上的晶體管數(shù)量每兩年增加一倍。為了將兩倍數(shù)量的晶體管放置在單個器件上，縮小晶體管是主要實現(xiàn)方式。這種趨勢已經持續(xù)了數(shù)十年，但近年晶體管數(shù)量增長速度有所減緩。晶體管密度增大還導致單位晶體管成本降低，因而很多電子系統(tǒng)的功能越來越豐富多樣，但價格沒有上漲。

但圖像傳感器卻有所不同，因為它的一些重要部件不會隨著晶體管變小而擴增。具體來說，圖像傳感器的光學元件比如光電二極管（將入射光轉換為電信號）和一些模擬元件（將電信號轉換為數(shù)字圖像）不能像數(shù)字邏輯元件那樣簡單地擴增。在傳感器中，圖像捕獲主要采用模擬技術，由數(shù)字電路將來自每個像素的數(shù)字數(shù)據(jù)轉換為圖像，這些圖像可以被存儲、顯示或用于人工智能機器視覺。

如果像素數(shù)量每兩年增長一倍，同時鏡頭尺寸保持不變，那么像素將會變小，導致接收的光子更少。（想一下雨天的水桶，更小的水桶收集的雨滴更少）。因此，傳感器必須在單位面積靈敏度和降低噪聲方面表現(xiàn)更加出色，才能在低光照條件下生成同樣優(yōu)質的圖像。如果不是出于產品的應用場景需要，增加像素數(shù)量不僅沒有任何意義，還會導致帶寬和存儲空間被迫增加，使得系統(tǒng)其他部件的成本上升。

僅通過像素大小不足以確定像素性能。我們不能想當然地假定更大的像素必定帶來更好的圖像質量。盡管不同光照條件下的像素性能非常重要，而且像素越大，就有更大的面積來收集光，但這不一定能夠提高圖像質量。另外還有多個因素也同樣重要，包括分辨率和像素噪聲指標。

如果提高分辨率對應用的影響大于減少單個像素的影響，那么像素較小的傳感器可能在性能上優(yōu)于相同光學面積下像素較大的傳感器。重要的是，要確保接收到光子數(shù)量的能力足以形成高質量圖像，因而像素靈敏度（光電轉換效率）和應用環(huán)境非常重要。

在為應用選擇傳感器時，像素大小是個考慮因素。但是，人們可能過于夸大了它的重要性；它只是多個參數(shù)中的一個，對于其他幾個參數(shù)，也應給予同樣的認真考量。選擇傳感器時，設計人員必須考慮目標應用的所有要求，然后在速度、靈敏度、圖像質量上找到理想平衡，以實現(xiàn)合適的設計解決方案。

在很多應用中，盡可能地擴展動態(tài)范圍具有重要價值，有助于在最終圖像中正確渲染陰影和高光，但這對于圖像傳感器可能具有很大的挑戰(zhàn)性。有些公司采用了一種名為“split-pixel”的技術，目的是解決為光電二極管創(chuàng)造更多容量的難題，以便在二極管“飽和”之前收集電子。

在split-pixel方法中，專用于單個像素的傳感器區(qū)域被分為兩個部分：較大的光電二極管覆蓋大多數(shù)區(qū)域，較小的光電二極管使用剩余區(qū)域。較大的光電二極管收集更多光子，在明亮光照條件下很容易飽和。較小的光電二極管可以暴露更長時間而不會飽和，因為可用于收集光子的面積較小?？梢孕蜗蟮貙⑺鼈冾惐葹槭褂盟昂退縼硎占甑巍Ｋ巴ǔＪ琼敳勘鹊撞扛鼘?，因而可以非常高效地收集雨滴，比水瓶更快地裝滿；而水瓶開口小，瓶身比較寬，收集起來比較慢。在低光照條件下使用更大的像素，在明亮光照條件下使用更小的像素，可以形成擴展的動態(tài)范圍。

圖 1：復雜的半導體，從光子到圖像輸出

安森美為單個像素增加了一個區(qū)域，讓多出來的信號或電荷能夠溢出到該區(qū)域，從而解決了上述問題。想象一下，我們使用水桶來接雨滴，然后有一個更大的盆來接住從水桶溢出的水。“水桶”信號易于讀取，具有很高的精度，因而我們能夠達到良好的低光照性能，更大的盆則容納了溢出的所有信號，從而擴展了動態(tài)范圍。這樣，整個像素區(qū)域用于低光照條件，而不會在明亮光照條件下出現(xiàn)飽和。飽和會降低圖像質量，例如會使顏色失真，清晰度下降。安森美的超級曝光技術可在高動態(tài)范圍場景中提供更好的圖像質量，適用于人眼視覺和機器視覺應用。

圖 2：XGS 16000是一款 1600 萬像素 CMOS 圖像傳感器

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