解決機(jī)器視覺(jué)的成像需求全局快門圖像傳感技術(shù)

寂靜天花板

圖像傳感器是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)捕獲圖像信息的關(guān)鍵元件。衡量圖像傳感器性能的因素包括分辨率、靈敏度、帶寬、噪聲、功耗、光學(xué)格式、幀率和CRA等。沒(méi)有哪一種單一的圖像傳感技術(shù)或產(chǎn)品適用于所有應(yīng)用，因而設(shè)計(jì)人員需根據(jù)應(yīng)用需求匹配最適合的技術(shù)。相對(duì)而言，CCD傳感器提供最佳的圖像均勻度、高線性動(dòng)態(tài)范圍、高光靈敏度、大光學(xué)格式，而CMOS傳感器提供靈活讀取、低功耗、高幀率和高集成能力。從應(yīng)用市場(chǎng)來(lái)講，F(xiàn)ull Frame CCD針對(duì)科學(xué)、醫(yī)療領(lǐng)域，Interline Transfer CCD和全局快門CMOS用于機(jī)器視覺(jué)和智能交通系統(tǒng)，線性CCD適合用在掃描、食品/飲品等領(lǐng)域，卷簾快門CMOS主要用于安防監(jiān)控行業(yè)。而無(wú)論是CCD還是CMOS圖像傳感器，都朝向更小像素(但同時(shí)保留性能)、更大光學(xué)格式、改進(jìn)的輸出設(shè)計(jì)及工藝的趨勢(shì)發(fā)展，以滿足市場(chǎng)對(duì)更高分辨率、更快輸出速度、增強(qiáng)的量子效率(QE)、降低噪聲和降低成本的需求。高速圖像捕獲可提供高吞吐量，高質(zhì)量圖像提供準(zhǔn)確分析，高像素捕獲清晰的圖像細(xì)節(jié)。
1 ?4 d  n, h, S; o: S
全局快門CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器能提供CCD圖像傳感器不具備的一些功能，內(nèi)部集成數(shù)字處理能力，如可在像素內(nèi)部將電荷轉(zhuǎn)為電壓，從而提供比CCD更快的幀率。而且，CMOS架構(gòu)支持用戶根據(jù)自己的需要設(shè)計(jì)小窗口輸出，使讀出更靈活。此外，CMOS的功耗低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。雖然CCD圖像傳感器在成像質(zhì)量上仍處于領(lǐng)先地位，但隨著技術(shù)的發(fā)展，全局快門CMOS和CCD圖像傳感器的成像質(zhì)量的差異會(huì)越來(lái)越小。全局快門CMOS圖像傳感器的關(guān)鍵應(yīng)用包括檢驗(yàn)、醫(yī)療成像、運(yùn)動(dòng)分析、安防、顯微鏡及智能交通等等。

1 p* k  c6 P  C/ h1 g針對(duì)工業(yè)高端應(yīng)用的全局快門CMOS傳感器：PYTHON

- o/ x. \( `' i. p安森美半導(dǎo)體的PYTHON 系列具有優(yōu)越的圖像品質(zhì)、高且靈活的讀出速度，提供低功耗/幀率版本及可擴(kuò)展的平臺(tái)，解決要求嚴(yán)苛的工業(yè)成像和智能交通應(yīng)用需求，如檢驗(yàn)系統(tǒng)、車牌識(shí)別、監(jiān)控、科學(xué)研究、交通攝像機(jī)、機(jī)器人導(dǎo)引和運(yùn)動(dòng)分析等等。
; O% |5 E* U* I
- O: g, b$ f& M( ?: e1. 優(yōu)越的圖像品質(zhì)
. b& n0 v  i/ r' o  m2 u
6 i: o+ t' j. e4 s9 W2 uPYTHON采用專利的全局快門結(jié)構(gòu)，可確保捕獲移動(dòng)物體時(shí)無(wú)運(yùn)動(dòng)偽影，像素內(nèi)相關(guān)雙采樣(CDS)確保低輸出噪聲，片上固定模式噪聲(FPN)校正提供增強(qiáng)的圖像品質(zhì)，根據(jù)應(yīng)用的可配置性為指定終端應(yīng)用優(yōu)化圖像質(zhì)素，高量子效率提供從紫外到近紅外極佳的靈敏度，產(chǎn)品有黑白、彩色和近紅外三種選擇。

( L9 p4 f# h2 b7 u) }1 h# k4 ]2. 低功耗/幀率版本可供選擇
4 W2 Z  Y  S( ?: y# p
- r7 I. \0 i$ F; o* L2 x% D- W$ q為滿足某些客戶想要降低產(chǎn)品功耗和成本的需求，安森美半導(dǎo)體還提供低功耗級(jí) PYTHON 1300和PYTHON 5000，通過(guò)降低幀率優(yōu)化約33%的功耗，同時(shí)保留PYTHON系列的高光學(xué)性能，因而成為高性價(jià)比選擇，用于可支持低幀率的應(yīng)用。
) h2 q7 \; q1 \4 Q
6 D1 I6 j" P2 w; ~

PYTHON 1300
	功耗	最大幀率
標(biāo)準(zhǔn)	620 mW	210 fps
低功耗	440 mW	105 fps
PYTHON 5000
標(biāo)準(zhǔn)	1300 mW	100 fps
低功耗	800 mW	46 fps

. V4 f3 D7 J- M# h4 i# S8 S
表1：PYTHON低功耗/幀率方案

3. 高且靈活的讀出速度
& ?2 {4 H) A! nPYTHON擁有符合并超越現(xiàn)代接口如USB3、USB3.1、10 GigE、Cameralink的帶寬，ROI模式用于定制的輸出選擇，開窗時(shí)速度以平方增加。
5 ]8 w+ l4 ^- \% ~
. `# Y  c. v9 H0 P

5 z* s. w# X2 S* ^5 h8 B圖1：PYTHON高帶寬支持高幀率和高分辨率
0 J4 C8 \/ r1 Z& H) Z
4. 可擴(kuò)展
2 d7 D; v+ Q5 U: n, [" a
3 v+ o1 ^; B8 J2 Q5 N3 qPYTHON系列共計(jì)9款不同器件，提供從VGA到超過(guò)2500萬(wàn)像素的分辨率，采用3種封裝尺寸，所有器件有類似的電氣和設(shè)計(jì)要求，所有的產(chǎn)品可共享同一個(gè)設(shè)計(jì)方案。

9 p& m: L: q' Z5 `8 u3 H
' z0 D3 c% R- v6 p8 L  ^
圖2：PYTHON系列的9款器件
% [3 T* p$ }3 Y
因此，基于PYTHON支持USB3以上的高帶寬，可提供更快的幀率而不犧牲圖像品質(zhì)，達(dá)2500萬(wàn)像素的分辨率符合市場(chǎng)需要更高分辨率的趨勢(shì)，九種不同的分辨率選擇可根據(jù)不同應(yīng)用需求提供定制的終端客戶方案，可擴(kuò)展性縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，加快產(chǎn)品上市。
1 X- ^4 \+ Q2 V8 O2 ^( H( R
PYTHON的通用平臺(tái)框圖如圖3所示，通常用FPGA提供傳感器的外部控制信號(hào)，及作為傳感器的輸出轉(zhuǎn)換接口，同時(shí)做一些簡(jiǎn)單的圖像處理，并用USB3.0、GigE、Camera Link等視頻接口輸出圖像。

  t, D/ D9 x& ]( ]) \' l

! A2 {+ d$ @: n, H, `圖3：PYTHON通用平臺(tái)框圖
9 V' w7 \5 |5 h$ M5 y9 ?9 x, H
Interline Transfer CCD圖像傳感器
2 B. a" A2 Z) u7 E4 W  R3 n3 C
Interline Transfer CCD 比Full frame CCD提供更多的功能性，它采用電子快門，比機(jī)械快門更簡(jiǎn)單穩(wěn)定，圖像一致性好，噪聲低，可用于對(duì)圖像品質(zhì)要求極為嚴(yán)格的機(jī)器視覺(jué)、監(jiān)控、智能交通、醫(yī)療和科學(xué)等領(lǐng)域。安森美半導(dǎo)體的Interline Transfer CCD當(dāng)前最常用的主要是5.5微米和7.4微米兩個(gè)系列，分辨率從100萬(wàn)至2900萬(wàn)像素，光學(xué)格式從1/2”至35 mm，具有低噪聲、低拖影(smear)等先進(jìn)的成像性能和全局快門架構(gòu)，提供黑白、拜耳色、Sparse色彩濾波陣列配置，全系列器件享有共同的輸出引腳、封裝和時(shí)序定義，只需一個(gè)專用的ID引腳來(lái)區(qū)分，支持一個(gè)攝像機(jī)設(shè)計(jì)用于全系列30多款產(chǎn)品，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。其中5.5微米用于主流應(yīng)用，而7.4微米用于提升的成像性能。
6 h  X, |  P- B
1. 世界最高分辨率的Interline Transfer CCD：KAI-47051
2 X3 N" v/ o5 m$ V9 J
- f6 J( v5 T, n$ @6 \% VKAI-47051圖像傳感器針對(duì)嚴(yán)格要求的成像應(yīng)用如平板檢測(cè)和空中偵察，提供極佳圖像均勻度和全局快門架構(gòu)，4700萬(wàn)像素可捕獲非常清晰的圖像細(xì)節(jié)，16路輸出的架構(gòu)支持幀率達(dá)7 fps，并具備黑白、拜耳色彩和Sparse CFA配置。相對(duì)于CMOS的設(shè)計(jì)，CCD的電源和時(shí)鐘要求比較嚴(yán)格，需要專門的水平時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、垂直時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)和電子快門驅(qū)動(dòng)，由于是模擬信號(hào)輸出，需要外部ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，再經(jīng)FPGA處理，由USB3.0、GigE、Camera Link等視頻接口輸出圖像。
" V+ U: K- n9 A) O% P7 z8 H

, |1 L- S9 W8 v  Y+ Q. q2 m/ ~
圖4：KAI-47051平臺(tái)框圖

/ y  }/ C% J0 R9 @7 q0 v. ^2. KAI-29050和KAI-08052圖像傳感器
8 ^. E, Z3 _4 p% n
KAI-29050和KAI-08052是5.5微米的Interline Transfer CCD圖像傳感器，提供極佳圖像均勻度和全局快門架構(gòu)，及黑白、拜耳和Sparse CFA配置，4路輸出，用于平板檢測(cè)和空中偵察。這兩款器件的像素分別為2880萬(wàn)和810萬(wàn)，支持幀率分別為4 fps 和16 fps。其中KAI-08052 具有增強(qiáng)的近紅外靈敏度，對(duì)推動(dòng)科學(xué)研究、醫(yī)療應(yīng)用的發(fā)展非常重要。
( ^. Q( B* h: h  u
其它CMOS圖像傳感器
0 c3 l  Z2 ~( B
1.全局快門CMOS 傳感器AR0135
2 b/ h) t# m$ f- V: w" z- ?
* F' w" |* j2 x0 r! y  kAR0135作為AR0134的升級(jí)產(chǎn)品，像素大小3.75微米，像素高達(dá)100萬(wàn)，光學(xué)尺寸僅1/3英寸，支持60 fps的720p，功耗低，封裝緊湊，讀取噪聲低，適用于條碼掃描、工業(yè)、玩具/游戲機(jī)、汽車等領(lǐng)域。

2. 全局快門CMOS 傳感器AR0144

AR0144像素大小僅3微米，為目前業(yè)界像素最小的全局快門CMOS傳感器，像素分辨率100萬(wàn)，光學(xué)尺寸僅1/4英寸，噪聲低，高溫下極低暗電流，支持60 fps，采用非常緊湊的封裝，目標(biāo)市場(chǎng)包括條碼掃描、玩具/游戲機(jī)和工業(yè)應(yīng)用。
- o$ j# a* z% x- b2 z3 J( H