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結合HDR與全球快門於相機模組：高速、高動態範圍影像的未來
創建於 2025.12.01
在快速發展的影像技術世界中，兩個特徵已成為專業和工業應用的遊戲改變者：高動態範圍（HDR）和全球快門。雖然每種技術各自提供獨特的優勢，但它們在現代的整合使得相機模組正在徹底改變我們在挑戰性光照條件下捕捉快速移動場景的方式。從智能交通系統（ITS）追蹤超速車輛到工業機器人導航動態環境，HDR和全球快門的協同作用正在解決長期以來的成像痛點，並開啟新的可能性。
技術拔河：為什麼結合HDR和全球快門很重要
要理解這一整合的意義，我們首先需要解決傳統成像解決方案的局限性。滾動快門感測器，數十年來的行業標準，逐行捕捉圖像，導致在拍攝快速移動物體時出現運動失真（通常稱為“果凍效應”）。全球快門技術通過同時曝光所有像素來消除這一問題，確保即使在高幀率下也能捕捉到清晰、無失真的影像。然而，全球快門在動態範圍方面歷來存在困難——這對於具有極端光線對比的場景至關重要，例如黃昏時分的陽光大道或有明亮頂燈和陰影角落的工廠車間。
HDR, 另一方面，擅長通過結合多個曝光來平衡明暗區域。然而，傳統的 HDR 實現依賴於順序拍攝，當主體在運動時會失效。這造成了一個技術悖論：選擇全球快門以獲得速度和準確性，或選擇 HDR 以獲得豐富細節的影像——但永遠無法兩者兼得。最近的感測器設計進展終於彌補了這一差距，使得相機模組能夠提供兩全其美的效果。
打破障礙：關鍵技術創新
HDR與全球快門的整合得益於傳感器技術的三項核心創新：雙增益架構、先進的像素設計和實時數據處理。讓我們來探討一下領先製造商是如何實現這些突破的：
1. 雙增益 HDR：同時捕捉的基礎
現代HDR-全球快門整合的核心在於雙增益技術。像SmartSens的SC935HGS和SC136HGS這樣的感測器使用PixGain和ColGain HDR®技術在單一畫面中捕捉兩種不同的曝光水平。這消除了連續拍攝的需求，使全球快門的同時像素曝光能與HDR的動態範圍增強協同工作。例如，在明亮的條件下，感測器使用低轉換增益以防止過度曝光，而在低光環境中則切換到高轉換增益以減少噪聲並保留陰影細節。
Sony的Pregius S™架構進一步將背照式像素與堆疊結構相結合，即使在像IMX927（105MP於100fps）的高速工業傳感器中，也能實現70dB的動態範圍。這種雙增益方法確保快速移動的物體——無論是快速行駛的汽車還是機器手臂——都能在明亮的高光和黑暗的陰影中無失真地捕捉到完整的細節。
2. 像素優化以適應光敏感性和速度
全球快門感測器傳統上犧牲了像素大小以容納記憶體單元，降低了光敏感度。現代設計通過創新的像素結構來解決這個問題：
• 背面散射技術 (BST)：三星的 ISOCELL Vizion 感測器使用 BST 來提高量子效率 (QE)，通過最小化光損失，在低光環境下實現更清晰的影像，同時保持全球快門性能。
• 大像素尺寸：Gpixel 的 GMAX4416 具備 4.4μm 像素——對於全球快門感測器來說異常大——在 530nm 時提供 71% 的量子效率和 73.9dB 的動態範圍於雙增益 HDR 模式下。這使其非常適合於科學和工業應用，因為這些應用對速度和低光性能都至關重要。
• 近紅外增強：SmartSens 的 Lightbox IR® 技術提升了 NIR 光譜的靈敏度（在 850nm 時可達 33%），擴展了 HDR-全球快門的能力，應用於夜視應用，如 ITS 和安全監控。
3. 高速數據處理與熱管理
整合HDR和全球快門會產生大量數據，這需要先進的處理和熱控制。索尼的IMX927系列以100Gbps的數據傳輸速度處理這些數據，實現半導體製造中自動光學檢查（AOI）的實時HDR處理。SmartSens的傳感器通過高溫優化來解決熱問題——其SC935HGS在80°C時減少了83%的陰影，消除了高溫ITS環境中常見的紫邊失真。
實際應用：HDR-全球快門的亮點
HDR 與全球快門的結合正在改變三個關鍵行業，為製造商和最終用戶帶來實實在在的好處：
1. 智能交通系統 (ITS)
ITS 相機面臨終極挑戰：在變化的光照（黎明、黃昏、夜晚）下捕捉快速移動的車輛（最高可達 120 公里/小時）。SmartSens 的 SC935HGS（9MP）和 SC635HGS（6MP）傳感器提供 65fps 捕捉，並具備區域 HDR 和 ColGain HDR® 模式，確保即使在明亮的陽光和黑暗的地下通道中，車牌也能清晰可讀。這些傳感器的快門效率提高了 9 倍（PLS>98000），消除了白色車輛和反光車牌的運動模糊——這曾是交通管理系統的一個主要痛點。
2. 工業自動化與機器人技術
AGVs (自動導引車) 和工業相機需要精確、快速的成像來導航和檢查產品。SmartSens 的 SC136HGS (1.3MP) 使用 1/2.7" 大目標尺寸和全球快門來捕捉寬角度、無失真的障礙物影像，而其 HDR 模式則能處理工廠地板上的嚴苛照明（明亮的天花板 LED 燈、陰影角落）。Sony 的 IMX947 (26MP) 將此提升到下一個層次，具備 100fps 捕捉能力，使 3D AOI 系統能夠檢測移動半導體晶圓上的 1μm 級缺陷。
3. 專業攝影與攝像
索尼的 Alpha 9 III 相機，搭載具備 HDR 功能的全球快門感應器，重新定義了運動和動作攝影。它以 14 位元 RAW HDR 捕捉 120fps，消除了果凍效應，並實現了 1/80,000 秒的閃光燈同步—非常適合在挑戰性光線下凍結快速移動的主題，如運動員或飛翔的鳥類。佳能持續開發的雙像素內存 HDR 進一步承諾完全去除機械快門，減小相機尺寸，同時提升 HDR-全球快門在電影應用中的性能。
市場趨勢與未來展望
對HDR技術的需求預計將從2024年的217億增長至2032年的998億，這主要受到工業自動化和智慧城市計劃的推動。在這一趨勢中，HDR-全球快門整合正逐漸成為一個關鍵的區別因素：
• 成本降低：隨著製造規模的擴大（例如，SmartSens 在 2025 年第二季度對 SC935HGS/SC635HGS 的量產計劃），全球快門感測器的 30-50% 價格溢價預計將縮小，使 HDR-全球快門模組能夠應用於中端市場。
• 更高的解析度：Sony 的 105MP IMX927 和 Gpixel 的 4K GMAX4416 展示了 HDR-全球快門不再僅限於低解析度感測器——我們預期到 2027 年會有 200MP 以上的型號。
• AI整合：未來的模組將結合HDR-全球快門與感測器上的AI處理，實現即時場景優化（例如，自動HDR模式選擇用於ITS攝像頭）並降低自動駕駛等關鍵應用的延遲。
結論：影像的新標準
將HDR和全球快門結合在相機模組中不僅僅是技術升級——這是一種範式轉變。通過解決長期以來在速度、準確性和動態範圍之間的衝突，這一整合使得曾經不可能的應用成為可能：從24/7的智能交通系統，永不錯過車牌，到在任何光照下都能清晰看見的工業機器人。隨著SmartSens、Sony和Samsung等製造商不斷創新，HDR-全球快門將成為專業和工業成像的新標準，推動各行各業的效率、安全性和創造力。
對於工程師和產品設計師來說，信息很明確：相機模組的未來在於協同，而非妥協。通過選擇集成 HDR 和全球快門的感測器，您不僅是在打造更好的相機——您是在構建更智能、更可靠的系統，這些系統能夠在最苛刻的環境中蓬勃發展。
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