大幅面图像传感器构图未来

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本文转载自光学资讯

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产品的分辨率和性能。然而，一些应用需要大画幅传感器的规模和独特架构，以便在具有挑战性的条件下捕获图像。
包含大像素（即>10μm）的大画幅成像仪通常用于天文学和其他应用，其中像素之间的照明存在显着差异，或者灵敏度是关键应用参数，只能通过大像素实现。由Teledyne提供。

通常用于天文学、体内成像、x射线和显微镜等应用，在像素之间的照明存在显著差异的应用中需要包含大像素的大格式传感器，或者灵敏度是一个关键的应用参数，只能通过大像素来实现，此处“大”定义为尺寸大于10µm。

CCD or CMOS
      机器视觉行业长期存在的争论围绕着CCD与CMOS图像传感器的比较优势展开。过去，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技术也已经发展到与CCD传感器的高量子效率相匹配，同时提供可比的暗电流。CMOS技术的复杂性以前使得扩展到更大的格式变得更加困难，但对该技术的改进克服了这一缺点。大幅面传感器在CMOS与CCD的讨论中呈现出自己的转折点。许多使用大型传感器的光匮乏应用都需要冷却传感器，以减少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）的热管理非常困难，这使得CCD看起来更适合需要更长曝光时间的应用。

        在过去几年中，在开发具有低功耗采集模式的大画幅低噪声CMOS图像传感器方面取得了许多进展。该技术提供了大幅降低长曝光模式功耗的可能性，从而相应地降低了暗电流。此外，还开发了新技术来减轻大型CMOS传感器的辉光效应。这种效应可以限制暗电流的减少，因为传感器本身在有源偏置条件下会发出少量的光。Teledyne及其合作伙伴合作开发技术，通过使用浅沟槽和铝层来阻挡传感器产生的光，从而减少暗电流产生及其影响。

大画幅优势
         随着世界向更小、更快、更便宜的方向发展，为什么大幅面传感器会受到青睐呢？有哪些优势？小传感器意味着使用小像素。但是，在像素间照明存在重大差异的应用中，或者灵敏度是只能用大像素实现的关键参数的应用中，这种架构表现不佳。大像素能够提供更高的满孔容量，从而增加读取噪声低时的动态范围。
与芯片级器件不同，大幅面成像传感器对晶圆级缺陷非常敏感。传感器供应商通过采用比汽车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。

大幅面成像仪可以以小型传感器无法实现的方式执行。除了实现更高的传感器集成度外，它们还可以根据像素尺寸在更大的视野内实现更高的分辨率。这在以高分辨率对大样品进行成像时非常重要，例如在显微镜，天文学和X射线成像中。具有大量像素的传感器还可以放大图像，同时仍保持高图像质量。

大传感器权衡
小像素尺寸意味着每个像素捕获的光子更少。因此，传感器上的像素大小与其灵敏度直接相关。由于传感器的面积是像素大小的平方，因此即使像素大小的适度变化也会迅速转化为更高或更低的灵敏度。虽然灵敏度对于机器视觉应用可能并不重要，因为良好的照明可以帮助补偿较低的值，但灵敏度对于缺乏主动照明的传感和科学应用非常重要。

         然而，大幅面传感器也有一些缺点。由于芯片良率和封装方面的考虑，即使与使用多个较小的传感器相比，它们的成本通常更高。
临床前体内成像受益于更大的传感器和像素尺寸，不仅因为它们允许在每帧内对整个主体进行成像，而且还因为较大的像素允许捕获最大的光量。由于临床前体内成像受到可用光的极大限制，因此该实践需要较长的成像曝光时间。因此，大画幅CCD传感器和相机经常用于这种成像。由Teledyne提供。
 
芯片级传感器对晶圆缺陷的敏感性也较低。虽然晶圆上的单个缺陷可能会产生单个坏设备，但较小的传感器可以被来自同一晶圆的另一个传感器所取代。相比之下，更换晶圆级传感器将需要全新的晶圆和制造工艺。大幅面成像仪也会产生更高的封装成本，因为维护封装规格所需的工具更昂贵。此外，小型传感器和封装的市场规模更大，这在生产成本方面通常具有规模经济的优势。

对集成的影响
         大幅面传感器的尺寸并不一定影响集成。高像素数并不自动意味着传感器具有较大的物理尺寸。例如，佳能的25000万像素传感器的尺寸实际上比普通的全画幅传感器小，因此可以轻松与现有的光学元件或镜头集成。较大的传感器通常有利于与望远镜上的大焦平面一起使用，或者在不使用光学器件的情况下直接成像某些东西时，例如在X射线应用中。

        然而，大型传感器的集成具有独特的含义，必须在设计过程中加以考虑。如前所述，晶圆级传感器对晶圆缺陷非常敏感，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采用比汽车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，受专利保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。

大画幅应用
          线阵扫描相机通常适用于在传送带上检测货物等应用，在这些应用中，协议定义明确，成本效益是重中之重。需要在尽可能大的区域内最大化数据捕获的成像任务需要大幅面传感器。

例如，临床前体内成像受益于更大的传感器和像素尺寸，不仅因为它们允许在每帧内对整个主体进行成像，而且还因为较大的像素允许捕获最大的光量。由于临床前体内成像受到可用光的极大限制，因此该实践需要较长的成像曝光时间。因此，大画幅CCD传感器和相机经常用于这种成像。

        事实上，大幅面图像传感器的尺寸在很大程度上取决于应用的需求。例如，电子显微镜对传感器尺寸进行了限制。较大的传感器提供更好的细节，但它们需要放置在离显微镜更远的地方，以便正确聚焦，从而对传感器尺寸施加了逻辑限制。三维（3D）堆叠技术是扩展图像传感器尺寸的新替代方案。它提供了集成像素阵列下方所有外围电路的可能性，并引入了创建由多个较小器件组成的相邻对接大型图像传感器的新机会。虽然目前的设计施加了每侧约200μm的盲区，但持续的进步将在未来几年内减少这一区域，并允许开发几乎为零盲区的对接器件。随着成像技术应用的发展，支持这些应用的传感器和相机也在不断发展。从基因治疗到天文学的用例继续推动大幅面传感器的界限，并将通过研究和开发带来更大的技术进步。