مقایسه سری سنسورهای CMOS IMX سونی

مدل های سری سنسورهای CMOS IMX از جمله پرکاربردترین سنسورها در دوربین صنعتی هستند. اما کدام سری برای کاربرد شما مناسب است؟ در مورد تفاوت های اصلی بین سری های مختلف مدل IMX از سونی، همچنین شناخته شده به عنوان Pregius، STARVIS و Pregius S بیشتر بدانید.

اولین سری سنسورهای IMX

تنها چند سال پیش، فناوری CCD سهم بسیار زیادی از سنسورهای دوربین برای پردازش تصویر صنعتی را تشکیل می داد. در آن زمان، سنسورهای CMOS به عنوان یک فناوری نویدبخش اما هنوز بلوغ نیافته در نظر گرفته می شد که حتی متخصصان نیز هیچ رقابت فوری ای با سنسورهای تثبیت شده CCD را در آن نمی دیدند.

این تغییر ناگهانی زمانی رخ داد که سونی، به عنوان یکی از مهمترین تولیدکنندگان بین المللی سنسور، در اوایل سال 2015 اعلام کرد که تولید CCD خود را متوقف خواهد کرد. این خبر پایان عصر CCD در پردازش تصویر صنعتی و بسیاری از زمینه های دیگر را نوید می داد. حدود دو سال قبل، این شرکت اولین نسل از (در حال حاضر) چهار نسل از یک خانواده جدید سنسور CMOS به نام IMX را معرفی کرد که با دامنه دینامیکی بسیار بزرگتر خود سروصدای خاصی ایجاد کرد. این سنسورها که هنوز در دسترس هستند، امکان زمان های نوردهی کوتاه را فراهم می کنند، دارای انتخاب گزینه های تریگر و خواندن مورد نیاز در پردازش تصویر هستند و امکان ثبت تصاویر با کیفیت استثنایی را فراهم می کنند که از کیفیت سنسورهای رقیب در همان بخش قیمت فراتر می رود.

چیزی که سری سنسورهای CMOS IMX را بسیار خاص می کند

فناوری Exmor برای کیفیت بالای تصویر

یکی از عوامل موثر در کیفیت بالای تصویر سنسورهای IMX، فناوری خاصی از سونی به نام Exmor است که در آن سیگنال آنالوگ کاهش نویز ثبت شده توسط سنسور، هنگام خواندن پیکسل ها مستقیماً به سیگنال دیجیتال تبدیل می شود. این رویکرد سنسورهای IMX را از رقبا متمایز می کند و نه تنها عملکرد نویز را بهبود می بخشد، بلکه امکان نرخ فریم بالاتر را نیز فراهم می کند.

شاتر گلوبال برای عکس های بدون اعوجاج

یکی دیگر از ویژگی‌های بسیار مهم یک سنسور، شاتر آن است. این شاتر که در الکترونیک سنسور پیاده‌سازی شده است، با عملکرد دیافراگم در یک دوربین معمولی مطابقت دارد. در پردازش تصویر صنعتی، دو مفهوم مختلف در اینجا وجود دارد: شاترهای رولینگ و شاترهای گلوبال.

در سنسورهایی با شاتر رولینگ، خطوط یک سنسور به ترتیب در معرض نور قرار می‌گیرند و خوانده می‌شوند. در کاربردهایی با اشیاء متحرک، این روش منجر به قرار گرفتن خطوط سنسور در معرض نور با تاخیر زمانی می‌شود و (بسته به شرایط بازرسی) می‌تواند باعث ایجاد اعوجاجات نامطلوب در تصاویر ثبت شده شود.

سنسورهایی با شاتر گلوبال به گونه‌ای متفاوت عمل می‌کنند: آن‌ها تمام پیکسل‌های در معرض نور را همزمان می‌خوانند و اطمینان حاصل می‌کنند که تصاویر اشیاء متحرک بدون اعوجاج قابل ثبت هستند. مثالی از این مورد، ثبت تصاویر وسایل نقلیه یا اشیاء متحرک در کاربردهای ترافیکی است.

 

منطقه مورد علاقه (ROI) کوچکتر برای سرعت بالاتر

علاوه بر این، توسعه دهندگان سونی عملکردهایی را در اولین نسل IMX خود ادغام کردند که مزایای بزرگی را برای پردازش تصویر صنعتی به ارمغان آورد. این شامل توانایی تعریف مناطق کوچکتر مورد علاقه (ROI) است. محدود کردن ناحیه خواندن سنسور، سرعت اخذ تصویر را افزایش می دهد و اندازه داده های تصویر را برای انتقال داده کاهش می دهد. این ویژگی به ویژه زمانی مفید است که فقط به مشاهده مناطق کوچک خاصی برای بازرسی اشیاء نیاز باشد.

Pregius – اولین نسل سری سنسورهای CMOS IMX

IMX174 و IMX249 نام سنسورهای نسل اول IMX هستند که با نام Pregius نیز شناخته می شوند. این سنسورهای شاتر گلوبال دارای پیکسل های مربعی با طول ضلع 5.68 میکرومتر و رزولوشن 1920 در 1200 پیکسل هستند. آنها از نظر سرعت متفاوت هستند: IMX249 امکان سرعت اکتساب تصویر 41 فریم در ثانیه را فراهم می کند، در حالی که نوع پرسرعت IMX174 به سرعت چشمگیر 166 فریم در ثانیه دست می یابد. برای کاربردهایی که رزولوشن 2.3 مگاپیکسل برای حل مسئله مورد نظر کافی است، دوربین های مبتنی بر سنسورهای IMX174 و IMX249 همچنان به دلیل ظرفیت اشباع بالا، نسبت سیگنال به نویز بالا و دامنه دینامیکی چشمگیر آنها انتخاب مناسبی هستند.

 

نسل دوم سنسور IMX با پیکسل های کوچکتر

در نسل دوم سنسورهای IMX، سونی اندازه پیکسل را به 3.45 میکرومتر در 3.45 میکرومتر کاهش داد و مدل هایی با رزولوشن 3 مگاپیکسل (IMX252 و IMX265)، 5 مگاپیکسل (IMX250 و IMX264)، 9 مگاپیکسل (IMX255 و IMX267) و 12 مگاپیکسل (IMX253 و IMX304) را در اواخر سال 2016 معرفی کرد. این سنسورها همچنین مزایای شاتر گلوبال را به کاربران ارائه می دهند و از فناوری Exmor برای کیفیت تصویر برجسته استفاده می کنند. از نظر سرعت، مدل های استاندارد نسل دوم (IMX265، IMX264، IMX267 و IMX304) در محدوده 23 تا 56 فریم در ثانیه متغیر هستند، در حالی که نسخه های پرسرعت امکان ثبت 68 تا 216 فریم در ثانیه را فراهم می کنند.

در مقایسه با سنسورهای IMX نسل اول، نسل دوم تفاوت قابل توجهی در ظرفیت اشباع نشان می دهد. اگرچه به وضوح کمتر از مقادیر پیشینیان خود است، اما همچنان در محدوده سنسورهای CMOS از سایر تولیدکنندگان قرار دارد. با این حال، این ویژگی با این واقعیت که سونی توانست رزولوشن قابل دستیابی را با فرمت سنسور قابل مقایسه تقریباً سه برابر کند، تحت الشعاع قرار می گیرد.

مقایسه سنسورهای نسل اول و دوم IMX

 

سنسور	IMX174 & IMX249	IMX252 & IMX256	IMX250 & IMX264	IMX255 & IMX267	IMX253 & IMX304
وضوح [MP]	2.3	3	5	9	12
وضوح [پیکسل * پیکسل]	1920*1200	2048*1536	2448*2048	4112*2176	4112*3008
فرمت سنسور[“]	1/1.2	1/1.8	2/3	1	1.1
اندازه پیکسل [µm]	5.68	3.45	3.45	3.45	3.45
حداکثر فریم در ثانیه @Basler	164	120	75	40	30

 

سنسورهای STARVIS با فناوری نورپردازی از پشت

سونی با خانواده STARVIS، مدتی است که یک فناوری سنسور قدرتمند را ارائه می دهد. در ابتدا تنها در رنگ‌های مختلف وجود داشت و عمدتاً در کاربردهای نظارتی استفاده می‌شد. پس از معرفی مدل‌های تک رنگ STARVIS، این سنسورها برای کاربردهای اتوماسیون کارخانه‌ها جذاب‌تر شدند. این خانواده سنسور از سونی به موازات خط Pregius توسعه یافت و در ابتدا فقط با شاتر رولینگ در دسترس بود، اما بعداً شاتر گلوبال نیز ارائه شد. سنسورهای STARVIS نیز با علامت اختصاری IMX مشخص می شوند و با پیکسل های مربعی بین 1.85 میکرومتر تا 3.76 میکرومتر طول لبه کار می کنند.

سنسورهای STARVIS در مقابل سنسورهای Pregius

مهمترین ویژگی های متمایز بین STARVIS و نسل های اول و دوم Pregius، شاتر رولینگ و فناوری نورپردازی از پشت سنسورهای STARVIS هستند.

در سنسورهای FSI، سیم‌کشی بالای سطح پیکسل حساس به نور قرار دارد. نور باید قبل از رسیدن به فتودیود از یک تونل عبور کند و در این فرآیند تا حدی منعکس می‌شود. در سنسورهای BSI، سیم‌کشی زیر فتودیودها قرار دارد.

سنسور نورپردازی از جلو (FSI) در مقایسه با سنسور نورپردازی از پشت (IMX)

این طراحی سنسور، که با نام BSI نیز شناخته می شود، یک توسعه پیچیده توسط سونی است که به زیبایی یک مشکل را حل می کند. سنسورهای STARVIS با پیکسل های بسیار کوچک تا 1.85 میکرومتر طول لبه کار می کنند. با چنین اندازه پیکسل های کوچک، نسبت نامطلوبی بین نواحی سنسور در دسترس برای پیکسل های دریافت نور و اجزای الکترونیکی مورد نیاز مانند تقویت کننده ها یا مبدل های A/D وجود دارد. اگر قسمت‌های غیر حساس به نور افزایش یابد، بازده کوانتومی یک سنسور کاهش می‌یابد.

سونی با قرار دادن فناوری الکترونیک تقویت کننده در پشت سنسور به جای جلو، همانطور که در سنسورهای معمولی به اصطلاح نورپردازی از جلو (FSI) وجود دارد، از این وضعیت اجتناب می‌کند. فقط قسمت های حساس به نور سنسور در جلو قرار دارند. این ترفند اجازه می دهد تقریباً تمام ناحیه پیکسل برای پاسخ فوتوالکتریک استفاده شود و بازتاب نور از اجزای الکترونیکی را کاهش می دهد. علاوه بر این، صفحه حساس به نور یک سنسور BSI نسبت به طراحی FSI معمولی بالاتر است که این نیز به بهبود عملکرد تصویر کمک می کند.

آستانه حساسیت

تأثیرات این امر را می توان با مقایسه آستانه حساسیت مطلق، که در استاندارد EMVA1288 تعریف شده است، مشاهده کرد. این نشان می دهد که سنسورها به طور متوسط ​​به چه مقدار نور، یعنی فوتون، نیاز دارند تا سیگنالی تولید کنند که به اندازه کافی از نویز متمایز شود. این مقدار برای سنسورهای Pregius نسل اول 10 است، در حالی که مدل های Pregius نسل دوم به مقدار 3 و سنسورهای STARVIS به مقدار 4 دست می یابند.

Pregius S، نسل چهارم فعلی

در سال 2020، سونی Pregius S را معرفی کرد که در حال حاضر پیشرفته‌ترین نسل سنسورها با اندازه پیکسل 2.74 میکرومتر در 2.74 میکرومتر و رزولوشن از 5.1 تا 24.5 مگاپیکسل است. مدل‌های استاندارد IMX540، IMX541، IMX542، IMX545، IMX546 و IMX547 سرعت‌های ثبت تصویر از 35 تا 122 فریم در ثانیه یا تا 870 مگاپیکسل در ثانیه را پوشش می‌دهند، که انواع پرسرعت IMX530، IMX531، IMX532، IMX535، IMX536 و IMX537 حتی به 106 تا 259 فریم در ثانیه یا تا 2600 مگاپیکسل در ثانیه دست می‌یابند، در نتیجه بازرسی اشیاء بسیار سریع‌السیار را امکان‌پذیر می‌کنند.

سنسورهای Pregius S مزایای فناوری BSI توسعه‌یافته برای خانواده STARVIS را با رویکرد شاتر گلوبال دو سری Pregius اول ترکیب می‌کنند و همچنان از مزایای کاهش نویز Exmor بهره می‌برند.

کدام سنسور از سری سنسورهای CMOS IMX مناسب است؟

کاربرد

تصمیم گیری در مورد اینکه کدام سنسور CMOS برای یک کاربرد مناسب ترین گزینه است به وظیفه مورد نظر بستگی دارد. یکی از معیارهای تعیین کننده، سرعت تریگر دوربین های استفاده شده و سنسورهای آنها است: اگر تصاویر اشیاء متحرک سریع مورد نظر باشد، تریگر باید تا حد امکان سریع و دقیق باشد. در اینجا، سنسورهای Pregius مقادیر بهتری نسبت به سنسورهای سری STARVIS دارند: زمان بین تریگر و خواندن یک تصویر برای سنسورهای Pregius فقط حدود 20 میکروثانیه است، در حالی که سنسورهای STARVIS ممکن است به 450 میکروثانیه یا بیشتر نیاز داشته باشند. بنابراین، دوربین‌های مجهز به سنسورهای Pregius انتخاب بهتری در کاربردهایی هستند که اجرای دقیق تریگر برای کیفیت تصویر بسیار مهم است. نمونه‌هایی از صنعت شامل بازرسی اشیاء بسیار سریع‌السیار مانند بطری‌ها یا بردهای مدار چاپی و همچنین تجزیه و تحلیل حرکت در ورزش است. کاربردهای 3 بعدی یا کاربردهایی که از سیستم‌های چند دوربینی استفاده می‌کنند نیز از سرعت و دقت بالای تریگر دوربین‌های مبتنی بر Pregius بهره‌مند می‌شوند.

سنسورهای IMX به عنوان جایگزینی برای CCD

کاربران اغلب به دنبال جایگزین CMOS مناسبی برای دوربین‌هایی هستند که دارای ویژگی‌های قابل مقایسه با فناوری CCD هستند. به دلایل اقتصادی، انتخاب دوربین‌هایی با سنسور CMOS که کمترین میزان سازگاری ممکن با نورپردازی و اپتیک موجود را نیاز دارد، منطقی است. فرمت‌های سنسورهای Pregius بیشتر از سری STARVIS شبیه به دوربین‌های CCD قبلی هستند و بنابراین برای کاربردهایی که این استدلال در آن‌ها بسیار مهم است، مناسب‌تر هستند. به عنوان مثال، انواع 5 مگاپیکسلی IMX264 و IMX250 سری Pregius می‌توانند به عنوان جایگزین‌های عالی برای سنسور CCD ICX625 به خوبی عمل کنند. دوربین‌های مجهز به سنسور CCD ICX824 را می‌توان با کمی تلاش با مدل‌هایی با نسخه‌های 8.9 مگاپیکسلی Pregius IMX267 و IMX255 جایگزین کرد، بدون اینکه نیاز به تنظیمات عمده‌ای در تنظیمات نوری سیستم باشد.

مزایای هزینه

از سوی دیگر، سنسورهای STARVIS مزیت هزینه ای واضحی نسبت به سری Pregius ارائه می‌دهند. اگر اشیاء مورد بازرسی نیازی به ثبت در حال حرکت نداشته باشند، شاتر رولینگ دوربین‌های مبتنی بر STARVIS اهمیت کمی دارد. به دلیل اندازه پیکسل بسیار کوچک، این سنسورها همچنین به رزولوشن بالاتری با سنسور کوچکتر اجازه می‌دهند، اما این امر باید هنگام انتخاب اپتیک در نظر گرفته شود.

ترندها در توسعه سری IMX

توابع جدید

توسعه‌های سنسور در سال‌های اخیر نشان‌دهنده گرایشی به سمت عملکردهای متنوع‌تر در مدل‌های جدید است. به عنوان مثال، سونی با معرفی نسل دوم Pregius، یک تریگر چندگانه را معرفی کرد که در آن یک تکانه تریگر، ثبت سریع چندین تصویر را تحریک می‌کند و امکان ثبت یک شیء با روشنایی‌های مختلف تصویر را فراهم می‌کند. به این ترتیب، می‌توان تصویر بهینه را برای ارزیابی تصویر بعدی انتخاب کرد. این عملکرد برای کاربران نسل سوم و چهارم نیز در دسترس است. این روند همچنین در مورد دو نوآوری در نسل سوم صدق می‌کند که به اصطلاح تریگر خودکار و تریگر دوگانه را در سنسورهای پرسرعت معرفی کردند. با استفاده از تریگر خودکار، دو ناحیه تصویر متفاوت (مناطق مورد علاقه، ROI) تعریف می شوند و به محض تشخیص تغییر در ناحیه تصویر دیگر، تصویری از یکی از دو ناحیه ثبت می شود. عملکرد تریگر دوگانه به نوبه خود امکان تعریف دو مقدار مختلف برای زمان نوردهی و بهره را فراهم می کند که می توان آنها را مستقل از یکدیگر کنترل کرد. تریگر خودکار و تریگر دوگانه در تمام سنسورهای نسل چهارم گنجانده شده است.

این مثال‌ها نشان می‌دهند که عملکردهای نسل‌های قبلی سنسور معمولاً به مرحله توسعه بعدی منتقل می‌شوند و به کاربران گزینه‌های بیشتری می‌دهند.

سنسورهای کوچکتر با رزولوشن بالا

یکی دیگر از روندهای مهم در توسعه سنسور، حرکت به سمت سنسورهای کوچکتر با رزولوشن بالا است. این امر با کوچک‌تر شدن هر چه بیشتر اندازه پیکسل‌ها امکان‌پذیر می‌شود که با پیشرفت‌های فرآیندهای تولید امکان‌پذیر است. این کوچک‌سازی سنسورها منجر به امکان کاهش بیشتر اندازه دوربین‌ها نیز می‌شود. علاوه بر این، در برخی موارد، تعداد دوربین‌های استفاده شده به دلیل رزولوشن‌های بالاتر قابل کاهش است. در نتیجه استفاده از سیستم‌های دوربین بهینه شده از نظر هزینه نیز امکان پذیر می شود. با سنسورهای Pregius، اغلب به لنزهای 1 اینچی پرهزینه نیاز است که می توان آنها را با لنزهای ارزان‌تر اما به همان اندازه قدرتمند با اندازه سنسورهای کوچکتر سری Pregius S جایگزین کرد. این امر استفاده از دوربین‌های مجهز به سنسورهای Pregius S را بسیار محبوب می‌کند.

نتیجه گیری

ویژگی‌های فنی چهار نسل اول IMX – Pregius، STARVIS و Pregius S – گزینه‌های گسترده‌ای را از نظر رزولوشن، سرعت و عملکرد در اختیار توسعه‌دهندگان و کاربران در زمینه‌های کاربردی متعدد (مانند پردازش تصویر صنعتی) قرار می‌دهد. با توجه به توسعه‌های مداوم، می‌توان فرض کرد که نسل بعدی سنسورها امکانات فنی گسترده‌تری را ارائه خواهد کرد.