Sony IMX CMOS 感光元件系列比較
Sony IMX 系列各個型號，是工業相機中最常用的感光元件之一。但是，哪個系列最適合您的應用？在此了解 Sony 各種 IMX 機種系列（即 Pregius、STARVIS 和 Pregius S）之間主要區別的進一步相關資訊。
最初的 IMX 感光元件
僅僅數年前，CCD 技術在工業影像處理相機仍然擁有最高的佔比。當時，一般認為 CMOS 感光元件雖然是一種很有前途的技術，但尚未成熟；即使是專家也不認為 CMOS 與已成主流的 CCD 感光元件之間，能有任何直接的激烈競爭。
2015 年初，Sony 這家最主要的全球感光元件製造商，宣佈停止生產 CCD；這項消息突如其來，預示著 CCD 主宰工業影像處理和許多其他領域的時代已經結束了。約在兩年前，該公司推出了第一代全新 CMOS 感光元件系列（目前已來到第四代），稱為 IMX；該系列具備更加寬廣的動態範圍，因而造成轟動。這系列感光元件目前仍可供應，具備較短的曝光時間，具有影像處理所需的觸發和讀取選項，並且能拍攝出比同價位帶感光元件競品更為出色的影像品質。
IMX 感光元件為何如此特別？
Exmor 技術實現高影像品質
IMX 感光元件具備高畫質的原因之一，是 Sony 一項名為 Exmor 的特殊技術；該技術將感光元件記錄的降噪類比信號，在從畫素讀取時就直接轉換為數位信號。這種方式使得 IMX 感光元件和其他製造商的感光元件相比時顯得與眾不同，不僅可以提高雜訊性能，還具備更快的取像速度。
全域快門，拍攝無失真
感光元件另一個重要功能是快門，其功能對應到傳統相機中的光圈；該功能在感光元件的電子電路中實作出來。在工業影像處理中，有兩個不同的概念：在具備滾動快門的感光元件中，畫素是一行接一行進行曝光。在有移動中物體的應用，這種方式會導致感光元件的線條延時曝光，且依檢測條件的不同，可能造成擷取的影像出現不該出現的失真。
全域快門感光元件的運作方式則不同：所有畫素在同一時間進行曝光，因此確保在交通應用中，檢測移動中主體或車輛的影像，擷取時不會發生失真。
ROI 更小，速度更快
此外，Sony 的開發者在其第一代 IMX 中整合了多種功能，對工業影像處理應用帶來非常大的優勢。這些功能包括定義較小關注區域 (ROI) 的能力。這種限制感光元件讀取區域的方式，可以提高影像擷取速度，也能降低影像資料傳輸的大小。當只有受測物體的部分區域需要進行檢視時，就可利用這個功能。
Pregius - 第一代 IMX 感光元件
IMX174 和 IMX249 IMX174 和 IMX249 是第一代 IMX 感光元件的名稱，也稱為 Pregius。這些全域快門感光元件使用邊長為5.68 μm、解析度為 1920 x 1200 的方形畫素。兩種型號的速度不同：IMX249 的取像速度達每秒 41 幀，而高速的 IMX174 機種甚至達到令人印象深刻的每秒 166 幀。具備 2.3MP 解析度，採用 IMX174 和 IMX249 感光元件的相機，因為具備高飽和度、高訊噪比，以及令人印象深刻的動態範圍，至今往往仍是各種應用的完美選擇。
第二代 IMX 畫素縮小
在第二代 IMX 感光元件，Sony 將畫素尺寸縮小到 3.45 μm x 3.45 μm，並在 2016 年底推出了解析度為 3 MP（IMX252 和 IMX265）、5 MP（IMX250 和 IMX264）、9 MP（IMX255 和 IMX267）和 12 MP（IMX253 和 IMX304）的各種機型。這些感光元件還為使用者帶來全域快門的優勢，並使用 Exmor 技術，提供出色的影像品質。在速度方面，標準第二代各型（IMX265、IMX264、IMX267 和 IMX304）的取像速度為每秒 23 至 56 幀，而高速版本具備每秒 68 至 216 幀的取像素度。
第二代感光元件與第一代 IMX 感光元件相比，在飽和度方面存有顯著差異，數值明顯低於其前一代產品，但仍與其他製造商的 CMOS 感光元件範圍相近。然而，Sony 能夠使用類似的感光元件格式，將可提供的解析度提高近三倍，因而彌補了這項落差。
第一代和第二代 IMX 感光元件的比較
感光元件 | IMX174 & IMX249 | IMX252 & IMX256 | IMX250 & IMX264 | IMX255 & IMX267 | IMX253 & IMX304 |
|---|---|---|---|---|---|
解析度 (MP) | 2.3 | 3 | 5 | 9 | 12 |
解析度 [畫素 * 畫素] | 1920*1200 | 2048*1536 | 2448*2048 | 4112*2176 | 4112*3008 |
感光元件格式 [" ] | 1/1.2 | 1/1.8 | 2/3 | 1 | 1.1 |
畫素尺寸 [μm] | 5.68 | 3.45 | 3.45 | 3.45 | 3.45 |
最大 FPS @Basler | 164 | 120 | 75 | 40 | 30 |
第二代 IMX 感光元件具備顯著提升的可用解析度。
STARVIS 感光元件具備背照式技術
Sony 在 STARVIS 系列推出一種強大的感光元件技術，這項技術在一開始時只存有一些不同的色彩差異，且主要運用在交通監控上。在推出黑白 STARVIS 機型後，這類感光元件在工廠自動化應用中愈來愈受歡迎。Sony 這一系列的感光元件是和 Pregius 系列同時開發的，一開始時只提供滾動快門，但之後也提供全域快門。STARVIS 感光元件也標有 IMX 這個縮寫，其方型畫素邊長在 1.85 µm 到 3.76 µm 之間。
STARVIS 與 Pregius 感光元件
STARVIS 和 Pregius 第一代與第二代之間最重要的差別，就是 STARVIS 具備滾動快門與背照式技術。
前照式 (FSI) 感光元件與背照式 (IMX) 的比較
這種也稱為 BSI 的感光元件設計，是 Sony 的一項成熟技術，優雅地解決了一個問題：STARVIS 感光元件使用非常小的畫素，其邊緣長度僅有 1.85 μm。在這麼小的畫素尺寸下，感光元件上的可用畫素感光區域，與所需的電子元件（如放大器或 A/D 轉換器）之間的比例是不利的。如果非感光部分增加，整個感光元件的光電效率就會降低。
Sony 將純放大器和評估電子電路置於感光元件背面，而非正面，來避免這種情況，就像傳統所謂前照式感光元件（FSI）一樣。僅有感光元件的感光部分置於正面。該技術讓許整個畫素區域幾乎都用於光電轉換，並減少電子電路造成的光反射。此外，BSI 感光元件的感光平面高於傳統 FSI 的設計，也能改善成像性能。
靈敏度閾值
比較絕對靈敏度閾值可以看出其效果，EMVA1288 標準 中定義該閾值，指出感光元件平均需要多少光量（即光子數量）才能在雜訊中產出足夠顯著的訊號。第一代 Pregius 感光元件的值為 10，而第二代 Pregius 機型為 3，STARVIS 感光元件為 4。
STARVIS | Pregius 第一代 | Pregius 第二代 | |
|---|---|---|---|
絕對靈敏度閾值 | 4 | 10 | 3 |
Pregius S 是最新推出的第四代產品
2020年，Sony 推出 Pregius S，是目前最先進的新一代感光元件，其畫素尺寸為 2.74 μm x 2.74 μm，解析度為 5.1 至 24.5 MP。其 標準型號 IMX540、IMX541、IMX542、IMX545、IMX546 和 IMX547 取像速度從每秒 35 到 122 幀，或高達每秒 870 MP，其中 高速型號 IMX530、IMX531 IMX532、IMX535、IMX536 和 IMX537 甚至可以達到每秒 106 至 259 幀或高達每秒 2600 MP，因此可以檢測移動非常快速的物體。
Pregius S 感光元件結合了原本為 STARVIS 系列開發的 BSI 技術優點，以及前兩代 Pregius 系列的全域快門，並繼續活用 Exmor 降噪的優勢。
哪種 IMX 感光元件最適合你？
應用
哪種 CMOS 感光元件最適合某種應用，要依手頭的任務形態而定。在此的決定標準之一，是所用相機及其感光元件的觸發速度：如果要拍攝快速移動物體的影像，觸發必須盡可能快速精確。在這裡，Pregius 感光元件會比 STARVIS 系列感光元件具備更高的價值：Pregius 感光元件從觸發到讀取影像之間的時間，僅為 20 μs 左右，而 STARVIS 感光元件的需時可能長達 450 μs 以上。因此，在精確執行觸發對影像品質至關重要的應用中，配備 Pregius 感光元件的相機，會是更好的選擇。工業領域的應用案例，包括檢測移動非常快速的物體，如瓶子或印刷電路板，以及體育運動中的動作分析。在 3D 應用或使用多相機系統的應用，也能獲益於 Pregius 相機具備的高觸發速度和精度。
以 IMX 感光元件取代 CCD
使用者往往在尋找特性與 CCD 技術相當的 CMOS 相機來做為替代。因為經濟性考量而選擇配備 CMOS 感光元件的相機是合理的，因為只需最少的代價，就可讓 CMOS 感光元件搭配現有光源和光學元件使用。Pregius 感光元件的格式，比 STARVIS 系列更為接近早期的 CCD 相機，因此更為適合特別重視這一點的應用。例如 Pregius 系列的 5 MP IMX264 和 IMX250 型號，用以替代使用廣泛的 ICX625 CCD 感光元件也毫不遜色。配備 8.9 MP Pregius 版本 IMX267 和 IMX255 的機種，可以毫不費力地取代配備 ICX824 CCD 感光元件的相機，無需對系統光學設定進行重大調整。
成本優勢
另一方面，STARVIS 感光元件比 Pregius 系列更具有明顯的成本優勢。如果不需要記錄移動中的待檢測物體，那麼 STARVIS 相機採用的滾動快門就沒什麼影響了。由於畫素尺寸非常小，這些感光元件不但更為小巧，還能帶來更高的解析度；但在選擇光學元件時必須考慮到這一點。
IMX 系列的發展趨勢
新功能
近年來，感光元件的新機種發展，呈現出功能日漸多樣化的趨勢。例如 Sony 在第二代 Pregius 中導入了多重曝光觸發器，單個觸發脈衝可以觸發並快速擷取多個影像，因此可用不同的影像亮度來拍攝物體。利用這種方式，就可以先選擇最佳的影像，然後再進行後續的影像評估。第三代和第四代產品的使用者，也可以使用此功能。這也適用於第三代的兩項創新，即在高速感光元件中導入所謂的自我觸發和雙重觸發。使自我觸發時，可以定義兩個不同的影像區域（關注區域，ROI），一旦檢測到兩個區域之一的影像發生變化，就會拍攝另一個影像區域。雙重觸發功能則是反過來，可以定義曝光時間和增益的兩個不同數值，且可以相互獨立控制。所有第四代感光元件，都具備自我觸發和雙重觸發功能。
這些案例顯示，前一代感光元件的功能，經常會延續到下一代，讓使用者有更多選擇。
感光元件更小，具備高解析度
另一個重要趨勢是感光元件的發展方向，正在朝向具備更高解析度的更小感光元件。由於先進的製造過程，因此能做出更小的畫素尺寸。感光元件的小型化，使得相機的尺寸也能進一步縮小；此外由於解析度的提升，在某些案例中也可以減少相機的使用數量。結果也讓採用成本最佳化的相機系統變得可行。使用 Pregius 感光元件時，往往必須搭配成本較高的 1"鏡頭；但如果使用感光元件較小的 Pregius S 系列，就可以使用比較便宜，但威力同樣強大的鏡頭來替代。因此採用 Pregius S 感光元件的相機非常受歡迎.
總結
IMX 最初四個世代的 Pregius、STARVIS 和 Pregius S，其技術特性讓眾多應用領域，如工業影像處理領域的開發人員和使用者，獲享多樣化的可用解析度、速度和功能選擇。在技術不斷的發展進步之下，下一代感光元件將可能提供更廣泛的技術可能性。
