解決機(jī)器視覺(jué)的成像需求全局快門(mén)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(mén)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(mén)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)。

: ?( w" p7 x+ }3 c& Y全局快門(mén)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(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(mén)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(mén)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,。
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針對(duì)工業(yè)高端應(yīng)用的全局快門(mén)CMOS傳感器：PYTHON

' ^. P& X! q' `  {) ^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(chē)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,。
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1. 優(yōu)越的圖像品質(zhì)
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PYTHON采用專(zhuān)利的全局快門(mén)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。
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2. 低功耗/幀率版本可供選擇

/ u( D# g8 C, E# B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。
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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

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表1：PYTHON低功耗/幀率方案

3. 高且靈活的讀出速度
  O/ F; ~! z& X" b6 u8 y) }; w8 }5 yPYTHON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(kāi)窗時(shí)速度以平方增加。
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圖1：PYTHON高帶寬支持高幀率和高分辨率
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0 h8 M. v, u4 F" _& h" K  y1 o4. 可擴(kuò)展
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PYTHON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(lèi)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,。



圖2：PYTHON系列的9款器件

% B9 J5 L9 h8 I- s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。

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。

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圖3：PYTHON通用平臺(tái)框圖
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6 P/ e2 D5 Q  i  S* ]! |! _Interline Transfer CCD圖像傳感器
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. _" F: T  ]9 D, A& T0 j/ HInterline Transfer CCD 比Full frame CCD提供更多的功能性,，它采用電子快門(mén),，比機(jī)械快門(mén)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(mén)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(zhuān)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。

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(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(mén)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(zhuān)門(mén)的水平時(shí)鐘驅(qū)動(dòng),、垂直時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)和電子快門(mén)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,。


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8 Z. a  o% ]! Y: s' D( t圖4：KAI-47051平臺(tái)框圖

2. KAI-29050和KAI-08052圖像傳感器

. O% _2 z' @, D# d- WKAI-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(mén)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。
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其它CMOS圖像傳感器

. ?+ t/ U$ s2 f8 x+ ^  f1.全局快門(mén)CMOS 傳感器AR0135

( f) i4 G7 S" k% e& `AR0135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(chē)等領(lǐng)域。
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2. 全局快門(mén)CMOS 傳感器AR0144
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* K- m) g. ]0 Q* L( qAR0144像素大小僅3微米,，為目前業(yè)界像素最小的全局快門(mén)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,。