解決機器視覺的成像需求全局快門圖像傳感技術

寂靜天花板

圖像傳感器是機器視覺系統捕獲圖像信息的關鍵元件。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、光學格式、幀率和CRA等。沒有哪一種單一的圖像傳感技術或產品適用于所有應用，因而設計人員需根據應用需求匹配最適合的技術。相對而言，CCD傳感器提供最佳的圖像均勻度、高線性動態范圍、高光靈敏度、大光學格式，而CMOS傳感器提供靈活讀取、低功耗、高幀率和高集成能力。從應用市場來講，Full Frame CCD針對科學、醫療領域，Interline Transfer CCD和全局快門CMOS用于機器視覺和智能交通系統，線性CCD適合用在掃描、食品/飲品等領域，卷簾快門CMOS主要用于安防監控行業。而無論是CCD還是CMOS圖像傳感器，都朝向更小像素(但同時保留性能)、更大光學格式、改進的輸出設計及工藝的趨勢發展，以滿足市場對更高分辨率、更快輸出速度、增強的量子效率(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，高質量圖像提供準確分析，高像素捕獲清晰的圖像細節。

1 u7 A8 O7 m( q; q" e, A全局快門CMOS圖像傳感器
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CMOS圖像傳感器能提供CCD圖像傳感器不具備的一些功能，內部集成數字處理能力，如可在像素內部將電荷轉為電壓，從而提供比CCD更快的幀率。而且，CMOS架構支持用戶根據自己的需要設計小窗口輸出，使讀出更靈活。此外，CMOS的功耗低，設計簡單。雖然CCD圖像傳感器在成像質量上仍處于領先地位，但隨著技術的發展，全局快門CMOS和CCD圖像傳感器的成像質量的差異會越來越小。全局快門CMOS圖像傳感器的關鍵應用包括檢驗、醫療成像、運動分析、安防、顯微鏡及智能交通等等。

1 f9 S+ q5 @- _" g1 |針對工業高端應用的全局快門CMOS傳感器：PYTHON
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安森美半導體的PYTHON 系列具有優越的圖像品質、高且靈活的讀出速度，提供低功耗/幀率版本及可擴展的平臺，解決要求嚴苛的工業成像和智能交通應用需求，如檢驗系統、車牌識別、監控、科學研究、交通攝像機、機器人導引和運動分析等等。
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1. 優越的圖像品質
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PYTHON采用專利的全局快門結構，可確保捕獲移動物體時無運動偽影，像素內相關雙采樣(CDS)確保低輸出噪聲，片上固定模式噪聲(FPN)校正提供增強的圖像品質，根據應用的可配置性為指定終端應用優化圖像質素，高量子效率提供從紫外到近紅外極佳的靈敏度，產品有黑白、彩色和近紅外三種選擇。

2. 低功耗/幀率版本可供選擇
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& D6 S% `" q3 P+ n( t3 Q, W為滿足某些客戶想要降低產品功耗和成本的需求，安森美半導體還提供低功耗級 PYTHON 1300和PYTHON 5000，通過降低幀率優化約33%的功耗，同時保留PYTHON系列的高光學性能，因而成為高性價比選擇，用于可支持低幀率的應用。
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PYTHON 1300
	功耗	最大幀率
標準	620 mW	210 fps
低功耗	440 mW	105 fps
PYTHON 5000
標準	1300 mW	100 fps
低功耗	800 mW	46 fps

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' B5 M+ q& E/ m7 u9 s3 K/ G表1：PYTHON低功耗/幀率方案
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# ^3 ]$ ^3 _7 B, C% \3. 高且靈活的讀出速度
PYTHON擁有符合并超越現代接口如USB3、USB3.1、10 GigE、Cameralink的帶寬，ROI模式用于定制的輸出選擇，開窗時速度以平方增加。
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& r3 q/ A4 y" H. U% W圖1：PYTHON高帶寬支持高幀率和高分辨率

4. 可擴展
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) v! w0 ^! _0 E6 s& w0 F: _" XPYTHON系列共計9款不同器件，提供從VGA到超過2500萬像素的分辨率，采用3種封裝尺寸，所有器件有類似的電氣和設計要求，所有的產品可共享同一個設計方案。
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圖2：PYTHON系列的9款器件
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+ x& u" \! G' t3 N9 O1 @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，達2500萬像素的分辨率符合市場需要更高分辨率的趨勢，九種不同的分辨率選擇可根據不同應用需求提供定制的終端客戶方案，可擴展性縮短設計時間，加快產品上市。
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PYTHON的通用平臺框圖如圖3所示，通常用FPGA提供傳感器的外部控制信號，及作為傳感器的輸出轉換接口，同時做一些簡單的圖像處理，并用USB3.0、GigE、Camera Link等視頻接口輸出圖像。



圖3：PYTHON通用平臺框圖

Interline Transfer CCD圖像傳感器
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Interline Transfer CCD 比Full frame CCD提供更多的功能性，它采用電子快門，比機械快門更簡單穩定，圖像一致性好，噪聲低，可用于對圖像品質要求極為嚴格的機器視覺、監控、智能交通、醫療和科學等領域。安森美半導體的Interline Transfer CCD當前最常用的主要是5.5微米和7.4微米兩個系列，分辨率從100萬至2900萬像素，光學格式從1/2”至35 mm，具有低噪聲、低拖影(smear)等先進的成像性能和全局快門架構，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、封裝和時序定義，只需一個專用的ID引腳來區分，支持一個攝像機設計用于全系列30多款產品，簡化設計。其中5.5微米用于主流應用，而7.4微米用于提升的成像性能。
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1. 世界最高分辨率的Interline Transfer CCD：KAI-47051
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KAI-47051圖像傳感器針對嚴格要求的成像應用如平板檢測和空中偵察，提供極佳圖像均勻度和全局快門架構，4700萬像素可捕獲非常清晰的圖像細節，16路輸出的架構支持幀率達7 fps，并具備黑白、拜耳色彩和Sparse CFA配置。相對于CMOS的設計，CCD的電源和時鐘要求比較嚴格，需要專門的水平時鐘驅動、垂直時鐘驅動和電子快門驅動，由于是模擬信號輸出，需要外部ADC將模擬信號轉換成數字信號輸出，再經FPGA處理，由USB3.0、GigE、Camera Link等視頻接口輸出圖像。
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! r( S& F* ]4 @# a; x圖4：KAI-47051平臺框圖
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2. KAI-29050和KAI-08052圖像傳感器

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，及黑白、拜耳和Sparse CFA配置，4路輸出，用于平板檢測和空中偵察。這兩款器件的像素分別為2880萬和810萬，支持幀率分別為4 fps 和16 fps。其中KAI-08052 具有增強的近紅外靈敏度，對推動科學研究、醫療應用的發展非常重要。

) s) T" M7 @7 d& J其它CMOS圖像傳感器

  Y2 d& A3 I3 G: ~1.全局快門CMOS 傳感器AR0135

AR0135作為AR0134的升級產品，像素大小3.75微米，像素高達100萬，光學尺寸僅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、玩具/游戲機、汽車等領域。
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2. 全局快門CMOS 傳感器AR0144

AR0144像素大小僅3微米，為目前業界像素最小的全局快門CMOS傳感器，像素分辨率100萬，光學尺寸僅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，目標市場包括條碼掃描、玩具/游戲機和工業應用。
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