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传感器设计没有逃避物理学
来源:赛斯维传感器网 发表于 2019/7/31

我们都喜欢16K相机,配备超级35mm传感器,具有18级无噪音动态范围,每秒拍摄2000帧,并且可以看到足够的颜色溢出Rec。但首先我们必须处理物理定律。


这样的相机可能在2050年以目前的进展速度建造。尽快实现目标的永恒追求是取得进步的原因,在某种程度上,当我们进入一个我们拥有所需的一切后稀缺世界时,这是一种耻辱。追逐的快感是让工程师感兴趣的原因。


在我们实现未来的必杀技之前,我们将不得不面对一些工程妥协。正是因为这一点 - 这是有争议的部分 - 大多数相机在任何时间点实际上都会有相同的性能。但是,我们怎么可能会说,当它们中的一些像素有4或16倍时,它们中的一些会拍摄帧速率的两倍,或者比其他帧快两档,或者具有明显更宽的色域?


现实

嗯,现实情况是,如果我们刚刚购买了全球电子产品供应商提供的现成传感器,如果考虑到它们的像素大小,它们的性能就会惊人地相似。大多数人都认为更大的像素意味着更高的灵敏度,并且相当清楚的是,较小数量的较大像素将适合任何给定尺寸的传感器,因此分辨率和尺寸是直接权衡。具有更大的像素也导致更少的噪声,因为更大的信号需要更少的放大以实现给定的ISO等级。


这变得复杂,因为我们认为单独的东西真的结合在一起。更大的信号也可能意味着更少噪声的阴影更容易观看,增加了有效的动态范围。或者,从另一个角度来看,相机对于相同的噪音更敏感。最后,灵敏度,噪声性能和动态范围基本上都受到相同设计问题的控制。


假设所有经过特殊处理的硅块都具有与光相同的基本反应,这意味着传感器设计人员可以随意或多或少地优化灵敏度,分辨率和其他因素; 传感器设计在某种程度上是一种零和游戏。索尼在A7系列静态照相机中非常明知地利用了这一点。该A7S有一个相对温和的12万像素的分辨率,但壮观的低光性能。正如我们所期望的那样,它的高分辨率兄弟姐妹更加锐利,但在黑暗中看不太好。


但是,A7s中的传感器(可能)不是可以从电子产品供应商处自由订购的东西。领先静止照相机中的传感器以及最着名的电影摄像机中的传感器代表了成像技术的绝对前沿。值得强化的是:从天文学到生物科学,使用图像传感器技术的领域很多。虽然其中一些要求严格的规格,但可能最苛刻的特征组合可能来自电影摄影。

松下S1H将6K视频录制成小巧的外形,并表明传感器设计一直在不断改进。

差异很小

因此,在该领域工作的公司将其最先进的技术应用于电影和电视工作的传感器,因为他们知道所得到的相机的规格将以很少应用于超市结账时条形码扫描仪中使用的传感器的方式进行仔细检查。它有什么不同吗?嗯,这很难说。如果制造Red传感器的人制造的传感器具有与制造Panasonic传感器的人完全相同的尺寸,分辨率和色彩性能,则可以进行某种并排测试。由于两家制造商很少发货具有完全相同规格的相机,这通常是不可能的。但如果发生这种情况,


有一天,一些喜剧演员会拿出一些数学来对某种规模的传感器性能进行评分。我们可以采用百万像素的自然对数乘以最大帧速率并以某种方式结合ISO感光度和色域,但它可能并不意味着那么多,因为像ISO这样的东西(并且,因为它们是连接的,还有很多其他的东西) )在某种程度上是一种意见问题。从整个市场的角度来看,可以合理地假设在任何时候,考虑到各种摄像机的发布日期,可用传感器技术之间可能存在停止或停止和一半的真实性能差异。


这并不多,随着新相机的发布,风景将不断变化,但有证据表明仍在进步。许多技术目前允许相机尽可能好。将微透镜阵列放在传感器的正面可能会使光线落在更宽的区域,这可能会在光点之间的间隙中丢失。双通道卸载(各种制造商称之为不同的东西)允许使用不同的放大设置读取图像数据两次,然后由其他电子设备统一。背面照明传感器,其中光首先照射到硅的最敏感部分,是最近的一项创新。


未来的传感器可能能够在完全不同的制造工艺上制造敏感层,从而优化光电二极管而不是处理电子器件的性能,就像现在的情况一样。坚持这两层是挑战,而且正在研究中。改变拜耳滤光片阵列上的有色染料可能会让我们牺牲色彩性能的灵敏度。名单还在继续。


其中一些工程变更会产生很大的不同,其中一些很微妙。一些公司拥有各种方法的专利,并且出于财务原因更喜欢这些方法。但这就是为什么存在这些微妙差异的原因。只要世界上有一项技术,有人会想要制造和销售更好的技术,但最终,他们都将遵守相同的物理定律。


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