新型高灵敏度图像传感器：LCG与HCG模式的融合提升DR性能

本文档探讨了一种创新的图像传感器设计方法，旨在提升在不同光照条件下的动态范围（DR）和传感器性能。这一方法的核心在于在一个像素内集成两种模式：低转换增益（LCG）和高转换增益（HCG）。LCG模式强调在明亮场景下处理大电量的能力，而HCG模式则通过提高灵敏度和降低读噪声，优化在低光环境下的图像捕捉性能，适用于DSLR、监控摄像头、笔记本/PC摄像头以及对极端低光环境下的成像质量有高要求的汽车影像系统。 转换增益（CG）是衡量CMOS图像传感器像素中感光节点电压变化与所接收电量之间关系的重要参数，它实际上反映了感光节点的电容。电容可以通过计算改变节点电压一伏特所需的电量来确定（参见公式）。增加HCG模式意味着传感器能在低光情况下工作时具有更高的灵敏度，但这可能会牺牲在高光场景下的转换速度或动态范围，因为更高的灵敏度通常伴随着较低的转换效率。 为了充分利用这种新型设计，理解CG与全阱容量（Full-Well Capacity, FWC）之间的关系至关重要。全阱容量是指一个像素在曝光后所能存储的最大电量。在LCG模式下，由于其较低的CG，传感器可以吸收更多的光线并积累较大的电荷，从而实现更大的FWC，但可能面临在高光强度下饱和的问题。相反，HCG模式虽然能提供更好的低光响应，但全阱容量可能会相对较小，因为更高的灵敏度会导致更快的电子泄露。 在实际应用中，设计者需要权衡这两种模式以满足特定的应用需求。例如，在摄影爱好者喜欢的明亮日间拍摄中，LCG模式可能是首选，因为它能保持良好的动态范围和高分辨率。而在暗夜拍摄或长曝光条件下，HCG模式则能提供关键的细节捕捉能力，尽管这可能牺牲一部分瞬间亮度信息。 总结来说，DR-Pix白皮书提出了一种创新的传感器设计策略，通过集成LCG和HCG模式来平衡不同光照条件下的性能。理解和管理CG与FWC的关系是决定这种技术能否有效提升相机系统整体表现的关键因素。随着技术的进步，这种兼顾高光与低光环境的解决方案有望推动图像传感器技术的发展，进一步扩展其应用场景。