关于本月发布的 iPhone 5S 中将配备改进的摄像头，人们议论纷纷。 Apple 令人惊讶的公告之一是将像素尺寸从 1.4um 增加到 1.5um，并声明“更大的像素 = 更好的图像”。这让我们思考了之前详细讨论过的一个主题，即为什么消费电子产品的相机不用于机器视觉或全球安全应用。

当然，消费级摄像头的设计并不是为了满足工业或监控系统的 24/7 全天候需求，但是内部使用的像素极小（小于 3 um）的高分辨率图像传感器又如何呢？ 1.5um 像素传感器的图像在消费市场之外是否足够好？

较大的像素图像传感器（大于 5.5 um）可以实现最佳精度（即满阱容量和读取噪声），但由于传感器尺寸较大（消耗的硅空间）和额外昂贵的光学器件，它们也会导致最高的成本。科学市场仍在使用较大的像素，但其他市场的趋势是像素尺寸小得多。由于相机尺寸的原因，较小像素的图像传感器可以降低相机的成本，或者在同一相机和光学器件内提供更多像素，从而获得更高的分辨率，但生成的图像真的足够好吗？

有关机器视觉中较小像素的优缺点的详细讨论，请单击此处。

对于全球安全应用，人们希望采用更小的图像传感器尺寸，以拥有更小的光学器件，以满足减小尺寸、重量、功耗和成本 (SWaP-C) 的要求。那么为什么不使用像素低于 4 um 的图像传感器呢？

在手机相机市场的推动下，人们在更小像素的开发上投入了大量资金，以缩小像素尺寸并显着降低噪声水平。例如，10 年前的高质量 CCD 传感器的读取噪声为 20 个电子。如今，带有卷帘快门的 CMOS 传感器的读取噪声为 2 个电子。由于噪声水平下降了 10 倍，因此只需要 1/10 的光子。像素可以大幅缩小，但仍然具有可接受的低光性能。

更小的像素（小于 3 微米）现在意味着 1/3” 和 1/4” CMOS 图像传感器可以实现全高清。它们具有良好的低光性能，但用于全球安全和工业应用的可用光学器件在质量上尚不匹配。此外，与 CCD 和 1/2 英寸及更大的 CMOS 图像传感器中可用的全局快门相比，1/3 英寸及更小的 CMOS 传感器使用卷帘快门。目前卷帘快门在工业和军事应用中并未得到很好的接受，因为运动时会出现模糊效果。全局快门 CMOS 更为复杂，需要进一步开发才能缩小像素。进一步的测试可能表明，卷帘快门在具有较高帧速率（例如 100 fps）的户外、移动应用中是可以接受的，因此模糊效果并不明显。

仅 1.4um 或 1.5um 像素的手机摄像头的图像如此出色的原因之一是所使用的光学器件。这些相机使用塑料光学器件而不是玻璃。塑料具有柔韧性，可以制成所需的任何类型的表面，而玻璃只有球形，而适用于尺寸小于 1/2 英寸图像传感器的表面还不足以满足苛刻的成像要求。塑料镜片目前在小批量（消费市场之外）不实用。而且，虽然塑料镜片有助于满足较低的重量要求；极端温度和抗反射涂层可能存在问题，限制其在军事市场的使用。

在我们对小像素的第一次讨论中，我们详细介绍了传感器通常如何使用微透镜将光聚焦到像素的活动部分（没有晶体管的部分）。对于 2 至 3 微米的像素，只有大约 1 微米是敏感的。这也称为“像素吸管”。进入的光可能进入错误的像素或错误的光电二极管，称为光学串扰和电串扰。这将导致更差的调制传递函数（MTF），从而导致图像不太清晰。串扰还会破坏色彩再现，例如一些红光进入绿色像素等。

背面照明 (BSI) 技术比微透镜有显着改进，可消除电气和光学串扰。这些以前仅适用于非常大的消费市场或非常昂贵的科学市场，但现在可用于工业和安全市场。

总而言之，CMOS 图像传感器上的小像素 (2-3 um) 具有以下优点和缺点：

优点

  • 通过更小的传感器、光学器件和摄像头降低成本和重量
  • 相同的传感器尺寸和光学器件提高了分辨率
  • 弱光下的灵敏度是可以接受的
  • 色彩还原足够好

缺点

  • 放弃全局快门（采用卷帘快门）
  • 帧速率较慢
  • 更多噪音
  • 较低的满井容量
  • 较低的MTF
  • 光/电串扰
  • 可用光学器件质量较低

利用为大容量消费相机应用开发的技术，在机器视觉和全球安全应用中使用较小的像素是一种趋势。我们基于彻底分析得出的结论是，像素小于 3 微米时，为了在消费市场之外使用（目前），会牺牲太多的功能和性能。

极小的像素需要一段时间才能具有足够高的性能，以应用于 FPD 检查、电子计量、边境安全、国土安全、态势感知等许多应用。

Source: Small Pixels and CCD versus CMOS update for global security and industrial imaging applications