從應用市場來講，F(xiàn)ull Frame CCD針對科學、醫(yī)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(tǒng)，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(jiān)控行業(yè)。
在“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的大勢下，工業(yè)自動化趨勢持續(xù)增強，機器視覺成為電子行業(yè)重要的新興領域。在持續(xù)的自動化需求、社會安全保障需求和市場經(jīng)濟實力的推動下，全球機器視覺和智能交通系統(tǒng)市場迎來發(fā)展熱潮。在中國，越來越多的大廠進入機器視覺市場。
圖像傳感器的性能指標及發(fā)展趨勢
圖像傳感器是機器視覺系統(tǒng)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(chǎn)品適用于所有應用，因而設計人員需根據(jù)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(tài)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，F(xiàn)ull Frame CCD針對科學、醫(yī)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(tǒng)，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(jiān)控行業(yè)。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(fā)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(jié)。
本文將藉安森美
半導體的全局快門CMOS圖像傳感器PYTHON系列及Interline Transfer CCD圖像傳感器，說明圖像傳感技術在新一代機器視覺、智能制造、智能交通等領域的廣泛應用。
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，內部集成數(shù)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(jù)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(fā)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(yī)療成像、運動分析、安防、顯微鏡及智能交通等等。
針對工業(yè)高端應用，安森美的全局快門CMOS傳感器PYTHON提高了圖像品質和讀出速度，為制造商提供低功耗/幀率版本及可擴展的平臺，主要針對要求嚴苛的工業(yè)成像和智能交通應用需求，如檢驗系統(tǒng)、車牌識別、監(jiān)控、科學研究、交通攝像機、機器人導引和運動分析等。
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(jù)應用的可配置性為指定終端應用優(yōu)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(chǎn)品有黑白、彩色和近紅外三種選擇。
PYTHON系列提供從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(chǎn)品可共享同一個設計方案。針對想要降低產(chǎn)品功耗和成本的客戶，低功耗級 PYTHON 1300和PYTHON 5000可通過降低幀率優(yōu)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。
表1：PYTHON低功耗/幀率方案。
PYTHON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，開窗時速度以平方增加。
圖1：PYTHON高帶寬支持高幀率和高分辨率
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(jù)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(chǎn)品上市。
PYTHON的通用平臺框圖如圖2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2：PYTHON通用平臺框圖。
Interline Transfer CCD圖像傳感器
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(wěn)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(jiān)控、智能交通、醫(yī)療和科學等領域。
安森美的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(qū)分，支持一個攝像機設計用于全系列30多款產(chǎn)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。
Interline Transfer CCD系列中的KAI-47051圖像傳感器主要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(jié)，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(shù)字信號輸出，再經(jīng)FPGA處理，由USB3.0、GigE、Camera Link等視頻接口輸出圖像。
圖3：KAI-47051平臺框圖。
該系列的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(yī)療應用的發(fā)展非常重要。
本文小結
結合收購的CYPRESS、TRUESENSE、Aptina三家公司的技術優(yōu)勢，安森美半導體現(xiàn)能提供CMOS和CCD圖像傳感器的供應商。2015年在安防、掃描圖像傳感器市場均占最大市場份額，機器視覺市場排名第二。目前該公司提供CCD和CMOS像素設計、背照式、電子倍增、系統(tǒng)級芯片(SoC) 集成、專用色彩濾波陣列(CFA)、高速讀取架構、專有協(xié)處理器和定制設計等，像素大小從1.1 µm 至 24 µm，分辨率從VGA至超過5000萬像素，光學格式從2.2 mm至超過70 mm。
從卷簾快門到全局快門，從VGA至4700萬像素，從低速、低功耗到高幀率，配合機器視覺和工業(yè)應用發(fā)展趨勢，寬廣的產(chǎn)品陣容可滿足客戶不同的應用需求。
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