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(jì)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(shí)捕捉外部光源照射到整個(gè)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(gè)場景，避免曝光期間運(yùn)動(dòng)造成的畸變，可有效抑制運(yùn)動(dòng)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?yàn)橛糜谑占饩€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(fèi)電子產(chǎn)品。然而，由于沒有中間存儲單元同步暫存整個(gè)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(diǎn)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(shí)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(dòng)態(tài)范圍)技術(shù)實(shí)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(dòng)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(xiàng)明顯的改進(jìn)，但是也是一個(gè)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(gè)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(diǎn)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(gè)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(diǎn)。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?yàn)樵诰砻娣胖秒娙輰黾悠骷叽?，所以，我們采用在晶片?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(jì)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?yàn)橄聦舆壿嬰娐窙]有占用像素層空間，這種設(shè)計(jì)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(jià)格的情況下，實(shí)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(gè)晶片，在提供雙快門模式的同時(shí)，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(shí)，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(dú)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(shí)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(fèi)等應(yīng)用開發(fā)者只用一個(gè)傳感器就能實(shí)現(xiàn)彩色和單色成像。此外，若企業(yè)打算只用一個(gè)器件型號設(shè)計(jì)產(chǎn)品，不妨選擇VD1943，在獲得彩色圖像的同時(shí)，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?cái)?shù)據(jù)隔離其它彩色通道，從中提取紅外頻譜，從而實(shí)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(dòng)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(jì)。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(gè)通道都有獨(dú)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(shí)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。