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大幅面圖像傳感器構圖未來


本文转载自光学資訊


传感器制造商一直在寻求通过减小像素尺寸同时增加其数量来提高其産品的分辨率和性能。然而,一些应用需要大画幅传感器的规模和奇特架构,以便在具有挑战性的条件下捕捉图像。


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包罗大像素(即>10μm)的大畫幅成像儀通常用于天文學和其他應用,其中像素之間的照明存在顯著差異,或者靈敏度是關鍵應用參數,只能通過大像素實現。由Teledyne提供。


通常用于天文學、體內成像、x射線和顯微鏡等應用,在像素之間的照明存在顯著差異的應用中需要包罗大像素的大花样傳感器,或者靈敏度是一個關鍵的應用參數,只能通過大像素來實現,此處“大”定義爲尺寸大于10?m。


CCD or CMOS

机械视觉行業恒久存在的争论围绕着CCD与CMOS图像传感器的比力优势展开。已往,CCD传感器被认为优于CMOS的高质量成像。


然而,在手机摄像头CMOS芯片投入巨大推动下,CMOS现已成为主导技术。事实上,索尼在2015年停止了CCD生产,并将在2026年结束对CCD的支持。然而,CCD传感器在某些应用中仍然具有优势,例如光谱学,它们提供高量子效率和低暗电流 - 使其成为需要更长曝光时间的最佳选择之一。然而,CCD传感器通常具有较慢的读出时间和较高的读取噪声,限制了它们在需要高速成像或单分子灵敏度水平的应用中的应用。CMOS技术也已经生长到与CCD传感器的高量子效率相匹配,同时提供可比的暗电流。CMOS技术的庞大性以前使得扩展到更大的花样变得越发困难,但对该技术的革新克服了这一缺点。大幅面传感器在CMOS与CCD的讨论中泛起出自己的转折点。许多使用大型传感器的光匮乏应用都需要冷却传感器,以淘汰长时间曝光期间的暗电流。这些大尺寸传感器(尤其是CMOS芯片)的热治理很是困难,这使得CCD看起来更适合需要更长曝光时间的应用。


在過去幾年中,在開發具有低功耗收罗模式的大畫幅低噪聲CMOS圖像傳感器方面取得了許多進展。該技術提供了大幅降低長曝光模式功耗的可能性,從而相應地降低了暗電流。此外,還開發了新技術來減輕大型CMOS傳感器的輝光效應。這種效應可以限制暗電流的減少,因爲傳感器自己在有源偏置條件下會發出少量的光。Teledyne及其相助夥伴相助開發技術,通過使用淺溝槽和鋁層來阻擋傳感器産生的光,從而減少暗電流産生及其影響。


大畫幅優勢

隨著世界向更小、更快、更自制的偏向發展,爲什麽大幅面傳感器會受到青睐呢?有哪些優勢?小傳感器意味著使用小像素。但是,在像素間照明存在重大差異的應用中,或者靈敏度是只能用大像素實現的關鍵參數的應用中,這種架構表現不佳。大像素能夠提供更高的滿孔容量,從而增加讀取噪聲低時的動態範圍。


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与芯片级器件差异,大幅面成像传感器对晶圆级缺陷很是敏感。传感器供应商通过接纳比汽車市场更严格的制造设计规则来减轻这些缺陷的潜在影响。由Teledyne提供。


大幅面成像儀可以以小型傳感器無法實現的方式執行。除了實現更高的傳感器集成度外,它們還可以根據像素尺寸在更大的視野內實現更高的分辨率。這在以高分辨率對大樣品進行成像時很是重要,例如在顯微鏡,天文學和X射線成像中。具有大量像素的傳感器還可以放大圖像,同時仍保持高圖像質量。


大傳感器權衡

小像素尺寸意味著每個像素捕獲的光子更少。因此,傳感器上的像素巨细與其靈敏度直接相關。由于傳感器的面積是像素巨细的平方,因此纵然像素巨细的適度變化也會迅速轉化爲更高或更低的靈敏度。雖然靈敏度對于機器視覺應用可能並不重要,因爲良好的照明可以幫助補償較低的值,但靈敏度對于缺乏主動照明的傳感和科學應用很是重要。


然而,大幅面傳感器也有一些缺點。由于芯片良率和封裝方面的考慮,纵然與使用多個較小的傳感器相比,它們的成本通常更高。


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臨床前體內成像受益于更大的傳感器和像素尺寸,不僅因爲它們允許在每幀內對整個主體進行成像,而且還因爲較大的像素允許捕獲最大的光量。由于臨床前體內成像受到可用光的極大限制,因此該實踐需要較長的成像曝光時間。因此,大畫幅CCD傳感器和相機經常用于這種成像。由Teledyne提供。


芯片級傳感器對晶圓缺陷的敏感性也較低。雖然晶圓上的單個缺陷可能會産生單個壞設備,但較小的傳感器可以被來自同一晶圓的另一個傳感器所取代。相比之下,更換晶圓級傳感器將需要全新的晶圓和制造工藝。大幅面成像儀也會産生更高的封裝成本,因爲維護封裝規格所需的工具更昂貴。此外,小型傳感器和封裝的市場規模更大,這在生産成本方面通常具有規模經濟的優勢。


對集成的影響

大幅面傳感器的尺寸並纷歧定影響集成。高像素數並不自動意味著傳感器具有較大的物理尺寸。例如,佳能的25000萬像素傳感器的尺寸實際上比普通的全畫幅傳感器小,因此可以輕松與現有的光學元件或鏡頭集成。較大的傳感器通常有利于與望遠鏡上的大焦平面一起使用,或者在不使用光學器件的情況下直接成像某些東西時,例如在X射線應用中。


然而,大型传感器的集成具有奇特的寄义,必须在设计历程中加以考虑。如前所述,晶圆级传感器对晶圆缺陷很是敏感,这使得生产良率成为一个重要的考虑因素。Teledyne DALSA和其他传感器供应商通过接纳比汽車市场更严格的制造设计(DFM)规则,提高了大型传感器的可靠性。此外,受专利掩护的冗余技术用于提高模数转换器和外围传感器电路的良率可靠性。


大畫幅應用

線陣掃描相機通常適用于在傳送帶上檢測貨物等應用,在這些應用中,協議定義明確,成本效益是重中之重。需要在盡可能大的區域內最大化數據捕獲的成像任務需要大幅面傳感器。


例如,臨床前體內成像受益于更大的傳感器和像素尺寸,不僅因爲它們允許在每幀內對整個主體進行成像,而且還因爲較大的像素允許捕獲最大的光量。由于臨床前體內成像受到可用光的極大限制,因此該實踐需要較長的成像曝光時間。因此,大畫幅CCD傳感器和相機經常用于這種成像。


事實上,大幅面圖像傳感器的尺寸在很洪流平上取決于應用的需求。例如,電子顯微鏡對傳感器尺寸進行了限制。較大的傳感器提供更好的細節,但它們需要放置在離顯微鏡更遠的地方,以便正確聚焦,從而對傳感器尺寸施加了邏輯限制。三維(3D)堆疊技術是擴展圖像傳感器尺寸的新替代方案。它提供了集成像素陣列下方所有外圍電路的可能性,並引入了創建由多個較小器件組成的相鄰對接大型圖像傳感器的新機會。雖然目前的設計施加了每側約200μm的盲區,但持續的進步將在未來幾年內減少這一區域,並允許開發幾乎爲零盲區的對接器件。隨著成像技術應用的發展,支持這些應用的傳感器和相機也在不斷發展。從基因治療到天文學的用例繼續推動大幅面傳感器的界限,並將通過研究和開發帶來更大的技術進步。


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