像素
光经微透镜和彩色滤光片进入钉扎光电二极管。电荷停在钉扎存储节点上，用真正的相关双采样读出——这是这个间距上低噪声全局快门的路线。4 µm 的电压域存储公布值大约 3.8–4.3 e⁻，由电容复位噪声决定。
| 模块 | 选择 | 原因 |
|---|---|---|
| 快门 | 背照式电荷域全局快门 | 真正的相关双采样。电压域像素放弃弱光下的颜色。 |
| 间距 | 4.0 µm，4.5 µm 选项 | 4.0 µm 收集的光大约是 3.0 µm 的 1.8 倍。4.5 µm 再增加约 1.3 倍，芯片更大。 |
| 暗部 | 双转换增益 | 高增益负责噪声底。低增益负责深满阱。两者每一帧都有。 |
| 高光 | 横向溢出，同一次曝光 | 线性。没有运动撕裂。容量按颜色能穿过衔接来定。 |
| 电容 | 在硅里，作为基线 | 只有测试芯片需要时，才用键合电容晶圆。 |
| 光学 | 全深度背照隔离，0° 主光线微透镜 | 像素接收 f/1.4 光锥。这个间距上的前照式全局快门大约丢掉一半。 |
| 读出 | 每行 4 次采样，每列 2 个 ADC，片上合并 | 开着 HDR 仍然能到 90 fps。标定随着合并一起走。 |
| 输出 | 12 位压缩或 16 位，4 通道 MIPI。带路径和饱和标志。 | 接得上现有的机器人处理器。带标志的像素可以丢掉。 |
电荷域全局快门、双增益、溢出存储和深隔离，文献里各自都有。东北大学演示过溢出电容全局快门。索尼、豪威、三星和思特威各有自己的版本。产品是测出来的结果：一次曝光里颜色保持住，90 fps，相机已经在同一时刻。
这一代先放下：电压域存储、每像素一个转换器、彩色路由（大约 1.4 µm 以下才看到增益）、有机膜、光子计数、堆叠彩色。
目标
第一档是每一块都已在某处演示过、但还要放在一起演示的指标。第二档是延伸，要等测试芯片测出溢出容量和衔接之后才收口。基准：思特威 SC233HGS。未公布写成 n.p.。
| 参数 | SC233HGS 已公布 | 第一档 目标 | 第二档 目标 |
|---|---|---|---|
| 阵列 | 1920 × 1200, 3.0 µm | 1920 × 1200, 4.0 µm | 4.5 µm 选项 |
| 彩色量子效率，绿 / 蓝 / 红 | 未公布 | ≥65 / 50 / 55% | ≥72 / 60 / 63% |
| 读出噪声，高增益 | 3.24 e⁻ | ≤2.0 e⁻ | ≤1.5 e⁻ |
| 线性满阱 | ~5.9 ke⁻ | ≥25 ke⁻ | ≥80 ke⁻ |
| 90 fps 下的线性范围 | 62.65 dB | ≥80 dB | ≥90 dB |
| 每次 HDR 衔接处的信噪比 | 未公布 | ≥30 dB | 目标 ≥35 dB |
| 寄生光 | ~ −92 dB | ≤ −100 dB | ≤ −110 dB |
| 暗电流 | 80 °C 下 260 e⁻/s | 60 °C 下 ≤50 e⁻/s | 60 °C 下 ≤20 e⁻/s |
| 彩色准确范围，中性 / 饱和色 | 未公布 | ≥80 / ≥70 dB | — |
| 功耗，90 fps，12 位 | 未公布 | ≤400 mW | ≤350 mW |
| 主光线 | 15° | 0° | 0° |
| 帧率 | 120 fps，HDR 帧率未公布 | 90 fps，每种模式 | 90 fps，每种模式 |
暗电流按该行里的温度引用。存储节点里的寄生光是要盯住的像素：已发表的电荷域溢出像素常常在 −80 到 −89 dB，高对比场景里的短曝光大约需要 −100 dB。遮光变体放在测试芯片上。功耗是工程样品的一道门槛，因为两条路径都读要耗电。在售器件靠丢帧来避开这笔开销。
弱光
亮度信噪比为 10 时，起作用的是光子：间距的平方、量子效率、光圈和曝光。读出噪声几乎不动这个点。它把“能看见一点东西”的下限大约移动 3 倍。必须有单独的高增益转换——用一个 12 位跨过很深的满阱，在 1 勒克斯时太粗。
范围
宣传页上的动态范围是满阱除以噪声底。真正要紧的是在全帧率、颜色仍然正确时保持线性的那段。很大的溢出电容可以印出远超 110 dB，却在衔接处把颜色弄坏。目标仍是 80 dB 和 90 dB。
还没有已公布的 230 万像素彩色全局快门，在 90 fps、单次曝光下做到 90 dB。最近的参照：安森美 4.2 µm 溢出全局快门在 30 fps 接近 90 dB，Brillnics 4.0 µm 堆叠溢出像素接近 90 dB，佳能一颗电荷域像素的读出噪声为 1.8 e⁻。
帧率
每一行需要四次采样：高增益路径和溢出路径各自的复位和信号。每列一个转换器来不及，所以在售的双增益器件把帧率减半。GS2.3 每列用两个转换器，并在片上合并。
正在读出的那一帧的溢出电荷，必须在下一次曝光再次使用该节点之前清掉。90 fps 下实际的 HDR 曝光大约是 7.5–9 毫秒，而不是完整的 11 毫秒。弱光信噪比的代价不到 2 dB。
两条原始 12 位路径大约 5 Gb/s。合并并压缩到 16 位后大约 3.3。合并做在芯片上之后，两者都进得了 4 通道 MIPI D-PHY。
彩色
红、绿、蓝不会在同一亮度切换路径。绿色通常先到。绿色饱和的白色高光是品红，训练集也会把品红学进去。
- 每个像素、每一帧都读出两条路径。选择在数字域完成。
- 路径增益按像素标定，测试时和现场都做，从 −20 °C 到 85 °C。门槛：误差 ≤1%，绿色 ≤0.5%。
- 一个彩色四元组一起切换，并做软混合。
- 标志跟着像素走：路径、饱和、标定版本。
- 溢出点可以按每一帧测到的白平衡走。固定的日光设置在钨丝灯下会漂。
彩色准确动态范围，是亮度信噪比至少为 10、且没有通道饱和的那段。一旦测到，合格线是：20 dB 信噪比以上，平均 ΔE00 ≤2，95 分位 ≤4。衔接处台阶不超过 1。饱和高光保持中性。
运动
90° 视场、1 米/秒、1 米处，一个像素的拖影大约需要 1.0 毫秒。5 米/秒时大约 0.2 毫秒。在这些曝光下，4.5 µm 像素要得到干净的彩色图像，仍然需要大约 150 勒克斯，以及几百勒克斯。间距、量子效率和更大光圈补不上一百倍的差距。
SyncLink 的闪光锁在全局曝光上。1 米、1 毫秒、干净彩色的白闪光：平均大约 4.5 瓦。实际可用到大约 2 米。5 米不行。90 Hz 的可见闪光人眼看得到；眼安全和闪烁属于灯具设计。近红外加不进测到的颜色。
SyncLink
| 行为 | |
|---|---|
| 连线 | 板上的一根共用线，或者菊花链。 |
| 主设备 | 选举产生。掉线后由另一台接管。 |
| 时间 | 64 位计数器，每一帧校正。每一帧都有时间戳。 |
| 线缆 | 延迟被测出并扣除。 |
| 曝光 | 对齐起点、中心或终点。90 / 45 / 30 fps 可以锁在一起。 |
| 相机组 | 一对或一圈相机之间协调曝光和增益。 |
| 绝对时间 | GNSS 秒脉冲。 |
| 光照 | 闪光与全局曝光对齐。 |
| 精度 | 板上 ≤100 ns。5 米线缆 ≤250 ns。相对 GNSS ≤1 µs。 |
光学与芯片
主光线角度 0° 是指光束中心垂直打在每个像素上。f/1.4 时锥角仍是 ±21°。镜头在像方必须在 ±3° 以内远心。
| 4.0 µm | 4.5 µm | |
|---|---|---|
| 有效面积 | 7.68 × 4.80 mm | 8.64 × 5.40 mm |
| 对角线 | 9.06 mm | 10.19 mm |
| 单晶圆芯片 | ~9.0 × 7.6 mm | ~10.0 × 8.2 mm |
| 300 mm 晶圆毛管芯数，堆叠 | ~1,175 | ~953 |
与正在使用的传感器对照
| SC233HGS | AR0234 | AR0235 | Mira220 | GS2.3 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 像素 | 3.0 µm BSI | 3.0 µm | 2.8 µm | 2.79 µm 堆叠 | 4.0 µm BSI |
| 阵列 | 1920 × 1200 | 1920 × 1200 | 1920 × 1200 | 1600 × 1400 | 1920 × 1200 |
| 读出噪声 | 3.24 e⁻ | 未公布 | 未公布 | 8.5 e⁻ | ≤2.0 e⁻ |
| 满阱 | ~5,900 e⁻ | 未公布 | 未公布 | 10,700 e⁻ | ≥25,000 e⁻ |
| 线性范围 | 62.65 dB | 70 dB | 65.3 dB | 62 dB | ≥80 dB |
| HDR | 拐点 | — | — | — | 线性，单次曝光 |
| 绿色量子效率 | 未公布 | 未公布 | 未公布 | 未公布（黑白 94%） | ≥65% |
| 主光线 | 15° | 0° or 28° | — | 0–30° | 0° |
| 全分辨率帧率 | 120 | 120 | 120 | 90 | 90，每种模式 |
| 同步 | 未公布 | 外置 | 片上触发 | 外置 | SyncLink |
| 传感器 | 间距 | 读出噪声 | 满阱 | 线性范围 | 全帧率下的 HDR |
|---|---|---|---|---|---|
| SC233HGS | 3.0 µm | 3.24 e⁻ | ~5.9 ke⁻ | 62.65 dB | 拐点，压缩 |
| SC136HGS | 4.0 µm | 未公布 | 24.8 ke⁻ | 62.64 dB | 双增益，半帧率 |
| GMAX4002 | 4.0 µm | 2.6 e⁻ | 11.6 ke⁻ | 68 dB | 无 |
| IMX392 | 3.45 µm | 2.37 e⁻ | 10.8 ke⁻ | 73.2 dB | 无。绿色量子效率 59.9% |
| IMX421 | 4.5 µm | 2.68 e⁻ | 11.1 / 25.3 ke⁻ | ~72 dB | 两种增益互为替代。绿色量子效率 68% |
| IMX900 | 2.25 µm | 5.5 e⁻ | 9.8 ke⁻ | 65 dB | 空间式，黑白。绿色量子效率 73.7% |
| OG02C10 / OG05C10 | 3.45 µm | <2 e⁻ | ~20 ke⁻ | 64 dB | 半帧率或更低时 77 dB |
| AR0234CS | 3.0 µm | 未公布 | 未公布 | 70 dB | 无 |
| GS2.3 | 4.0 µm | ≤2.0 e⁻ | ≥25 / ≥80 ke⁻ | ≥80 / ≥90 dB | 单次曝光，90 fps |
上面各行是思特威 SC233HGS 和 SC136HGS，安森美 AR0234、AR0234CS 和 AR0235，艾迈斯 Mira220，豪威 OG02C10 和 OG05C10，索尼 IMX392、IMX421 和 IMX900，以及长光辰芯 GMAX4002。其他传感器来自厂商数据和 EMVA 1288 相机报告。索尼公布了绿色量子效率，说明第一档的彩色数字落在真实彩色全局快门的范围内。
GS2.3 之后
| 型号 | 时间 | |
|---|---|---|
| GS2.3 | 第 24 个月样品，第 30 个月量产 | 这颗传感器。 |
| GS1.3, GS2.3-RGBIR | +12 个月 | 更低成本，以及彩色加红外。 |
| GS2.3 HDR+ | +18 个月 | 第二档范围，4.5 µm 选项。 |
| GS5.0 | +24 个月 | 更高分辨率，用于建图和采集。 |
| A-series | 更晚 | 车规。 |
第 12 个月的硅片：读出噪声、满阱、衔接信噪比、530 nm 与 f/1.4 下的寄生光、0° 主光线下的分通道量子效率、每次衔接的色阶。第 24 个月：以 90 fps 对 SC233HGS 拍摄运动场景、四相机同步、原始数据集。第 27 个月：至少 30 颗样品的第三方 EMVA 1288。
