解锁更智能、更高效的计算机视觉系统：深度解析ST全新500万像素CMOS图像传感器技术

意法半导体正式发布其最新的 500 万像素图像传感器VB1943、VB5943、VD1943 和 VD5943，该系列产品属于ST BrightSense图像传感器产品家族，在安保监控、机器人、机器视觉等应用市场树立了新的标杆。这些传感器分为单色和 RGB-IR两种型号，整合全局快门、卷帘快门、先进的3D 堆叠像素架构，以及片上 RGB-IR图像分离技术，成像性能和多功能性在业内处于优先水平。本文将深入探讨该传感器系列的重大创新之处，揭示其为何能够真正改变市场格局。

选择全局快门还是卷帘快门

全局快门

在产品设计初期，工程师需决定是用全局快门还是卷帘快门CMOS图像传感器，每种快门模式都是采用特殊的像素架构与数据读出架构，因此，迄今为止，绝大多数图像传感器仅支持其中一种快门方法。

顾名思义，全局快门图像传感器是同时捕捉外部光源照射到整个传感器上的光线，再依次读出图像信息。这需要额外增加电路和像素内存储单元，在将数据传至处理器前暂存传感器捕获的信息。全局快门解决方案可以很好地满足应用对图像精度和一致性的要求，因其能一次性捕捉整个场景，避免曝光期间运动造成的畸变，可有效抑制运动伪影和光线伪影。

全局快门虽然有上述优势，但是也有美中不足的地方。由于增加了像素内电路，信息读出速度通常较慢，能效较低，感光度较低。

卷帘快门

顾名思义，卷帘快门图像传感器是像素阵列逐行或数行依次曝光，像开启卷帘一样。每行曝光与数据处理同步进行，逐渐构建一幅完整帧。这种曝光方式比较简单，无需全局快门的额外存储单元和电路，因此，功耗较低，像素感光度较高。因为用于收集光线的像素面积较大，卷帘快门在弱光环境下成像质量更好。因此，卷帘快门CMOS传感器被广泛用于大多数消费电子产品。然而，由于没有中间存储单元同步暂存整个帧，卷帘快门的成像容易产生畸变和伪影;此外，在所有行依次曝光过程中，光源必须保持点亮状态，这会增加整体光源成本。

两全其美

意法半导体的全局卷帘双快门模式让用户可同时享受两种技术的优势：全局快门的无伪影的拍摄，卷帘快门片上HDR(高动态范围)技术实现的出色画质。通过设置寄存器可以选择工作模式，支持帧间无缝切换，在无畸变的全局快门成像与高动态范围的卷帘快门图像之间灵活切换。

双快门模式虽然是一项明显的改进，但是也是一个巨大的架构挑战，意法半导体已成功攻克了这些难题。过去，在卷帘快门传感器中集成全局快门功能需要增加复杂的底层电路，这会导致传感器尺寸增大、成本上升，像素感光度降低，进而影响HDR性能并增加噪声。借助在一颗芯片内垂直堆叠多个晶片的先进3D堆叠技术，意法半导体成功解决了这些问题，打造出一款没有常规缺点的兼具两种快门优势的传感器。

3D堆叠技术让传感器更智能

上层晶片

意法半导体自主开发一个双片图像传感器架构。顶层晶片采用65纳米制造工艺，包含2.25微米像素和存储节点。简而言之，我们利用深槽隔离(Deep Trench Isolation)或电容式深槽隔离(CDTI)技术，将电容垂直嵌入到晶片内。因为在晶片表面放置电容将会增加器件尺寸，所以，我们采用在晶片内制作又深又窄的沟槽，将电容器查入像素之间，利用全深度深槽隔离来防止串扰。因此，我们既能开发尺寸更大的像素，又能设计出兼容全局快门模式的架构。

下层晶片

下层晶片采用40纳米制造工艺，包含数字电路和模拟电路。因为下层逻辑电路没有占用像素层空间，这种设计方法确保像素层能捕获更多光线。这也是我们能够在不增加器件整体尺寸或价格的情况下，实现500万像素分辨率的关键原因。这种双片方案采用ST欧洲300毫米晶片厂开发的制造技术，因此，我们能够高效生产并键合这两个晶片，在提供双快门模式的同时，竞争力不输于同类仅支持全局快门500万像素CMOS传感器。

此外，3D堆叠技术允许直接在传感器内部嵌入额外电路和片上处理功能，打造更智能、更高性能的图像传感器，同时，能减轻主处理器的工作量，例如VD1943和VB1943 RGB-IR的RGB-IR转换和智能图像增强功能。

彩色图像与红外图像无缝切换

从单色到RGB-IR彩色

为满足不同应用的需求，该系列传感器提供单色和彩色两款图像传感器。VD5943和VB5943可输出高质量单色图像，非常适合机器学习算法，以及依赖灰度成像的产线产品检测、条形码扫描等应用场景。

相反，VD1943和VB1943采用一种独特的像素结构：传统RGB子像素结构加近红外(NIR)子像素结构，提升了全局快门和卷帘快门模式的成像性能

在全局快门模式下，近红外子像素的曝光时间较长，以捕获关键信息，让VD1943和VB1943能够输出高准确度的近红外图像，媲美专用单色图像传感器，安保监控、电子收费等应用开发者只用一个传感器就能实现彩色和单色成像。此外，若企业打算只用一个器件型号设计产品，不妨选择VD1943，在获得彩色图像的同时，还能获得高画质单色图像，确保推理结果准确无误。

在卷帘快门模式下，近红外子像素在提高色彩准确度方面至关重要。红色像素也对近红外波长敏感，会导致色彩还原失真。意法半导体的传感器不依赖外部红外截止滤光片或复杂的处理运算，而是利用近红外子像素数据隔离其它彩色通道，从中提取红外频谱，从而实现更准确的色彩保真度、更高的信噪比，提升整体图像质量。

自动彩色/红外切换

意法半导体RGB-IR传感器具备片上RGB-IR图像分离功能，节省了外部配套芯片，大幅简化了系统设计。该集成方案还内置了去马赛克功能，降低了软件复杂度和处理工作量。该传感器支持多种可配置输出格式，包括全分辨率500万像素RGB-NIR 4×4像素分组、原生500万像素RGB Bayer模式、127万像素近红外子采样，以及500万像素近红外智能增强模式，每个通道都有独立曝光控制。智能增强功能确保彩色和近红外成像均能实现全500万像素分辨率，输出高保真数据流，没有任何妥协和让步。

此外，用户只设置一次寄存器，即可在彩色和近红外输出之间轻松切换，快速适应不同的应用需求。片上集成完整功能，有助于降低物料成本，简化软件开发，并提升整体系统的灵活性和性能。