圖像傳感器正在以三種核心方式發(fā)展：隨著物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的興起，系統(tǒng)功能的更多優(yōu)勢(shì)；實(shí)現(xiàn)片上偏振和高光譜傳感器等新功能，它們可以看到比肉眼更多的東西；而且，對(duì)于大多數(shù)機(jī)器視覺應(yīng)用來說，最根本的進(jìn)步可能是需要以更高的分辨率進(jìn)行捕捉——而且速度更快。

本文著眼于 GS-CMOS 圖像傳感器的發(fā)展，包括對(duì)即將上市的第四代全局快門技術(shù)的期望，以及它們?cè)谔岣叱上裥阅芊矫娴淖饔谩?/p>

全局快門 CMOS 圖像傳感器大約在十年前首次推出，從那時(shí)起，它在實(shí)現(xiàn)高速制造工藝的加速吞吐量方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。該技術(shù)不僅提供了數(shù)字輸出，還避免了由卷簾效應(yīng)引起的空間失真。

該技術(shù)發(fā)展迅速，以提供更高的圖像質(zhì)量，第一代傳感器在其 1/1.2 英寸格式（5.86 μm 像素大小）中僅提供 2.4 兆像素。對(duì)分辨率的要求意味著工程師創(chuàng)造了 3.45 μm 的第二代傳感器像素尺寸，使索尼能夠覆蓋 0.4 到 31 兆像素的分辨率。

但是隨著像素尺寸的縮小，到達(dá)傳感器中每個(gè)像素的光量也隨之縮小——降低了飽和容量。

對(duì)于第三代，在這些競(jìng)爭(zhēng)因素之間尋求最佳平衡：略微增加像素尺寸（至 4.5 μm），從而增加更接近第一代設(shè)備的飽和容量，同時(shí)還提高了動(dòng)態(tài)范圍和速度。

隨著第一代到第三代像素的完成，索尼創(chuàng)建了一個(gè)分辨率和光學(xué)尺寸組合，涵蓋了即將停產(chǎn)的傳統(tǒng) CCD 系列。

圖像捕獲的整體方法

機(jī)器視覺系統(tǒng)不僅需要捕獲詳細(xì)的圖像進(jìn)行分析，還需要捕獲正確的信息，將這些信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)并以極高的速度完成此操作。

因此，傳感器的讀出幀速率（與使用的傳輸標(biāo)準(zhǔn)一樣多）是此過程中的關(guān)鍵要素。但嵌入在每一代新一代 GS-CMOS 圖像傳感器中的功能也是如此。第 1 代包括全局快門，以消除運(yùn)動(dòng)偽影；以及多幀感興趣區(qū)域 (ROI) 功能，該功能允許將數(shù)據(jù)子集傳遞到計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。

第 2 代增加了多重曝光觸發(fā)器，允許在一個(gè)圖像幀內(nèi)捕捉多重曝光，以確保圖像捕捉到更深的信息——并將最短曝光時(shí)間縮短至僅 2 μs。

第 3 代包括雙 ADC 和雙觸發(fā)器，允許在同一幀上拍攝低增益和高增益圖像，每個(gè)圖像都可以獨(dú)立觸發(fā)。此外，還嵌入了傳感器轉(zhuǎn)換增益，以更好地平衡靈敏度、飽和容量和動(dòng)態(tài)范圍，以應(yīng)對(duì)低光和高光條件。最后，添加了一個(gè)自觸發(fā)，其中一個(gè) ROI 充當(dāng)另一個(gè) ROI。

反轉(zhuǎn)傳感器

雖然仍然可以通過增加圖像傳感器尺寸來增加整體像素?cái)?shù)，但大多數(shù)機(jī)器視覺應(yīng)用都使用 C 接口相機(jī)，該相機(jī)使用 1 英寸型傳感器（對(duì)角線 16 毫米）。

前三代 GS-CMOS 圖像傳感器采用前照式像素結(jié)構(gòu)（見圖 1），光線進(jìn)入鏡頭，然后穿過金屬布線層到達(dá)光敏光電二極管。

這減少了到達(dá)光電二極管層的光，其中一部分進(jìn)入透鏡的光被引導(dǎo)到金屬布線層上。

圖 1. 前照式 GS-CMOS 圖像傳感器的分層

第四代 GS-CMOS 采用的另一種方法是反轉(zhuǎn)金屬布線和光敏光電二極管層以創(chuàng)建背照式像素結(jié)構(gòu)并更容易檢測(cè)到光子（見圖 2） .

圖 2. 背照式 GS-CMOS 圖像傳感器的分層

與傳統(tǒng)的前照式傳感器 (2.74μm) 相比，這種倒置結(jié)構(gòu)允許將像素尺寸減小到大約 63%，而不會(huì)降低飽和特性。

此外，這種反轉(zhuǎn)允許將外圍電路布置在傳感器的背面。這允許將分辨率從 12 MP 提高到 20 MP，同時(shí)將封裝尺寸減小到約 91%；即使使用與以前型號(hào)相同的光學(xué)系統(tǒng)（見圖 3）。

圖 3. 高清晰度允許更大的成像區(qū)域，這反過來又減少了所需的捕獲次數(shù)。在左側(cè)，傳統(tǒng)產(chǎn)品（IMX253，12.37 兆像素）需要 25 次捕獲；在右側(cè)，新產(chǎn)品（IMX531，20.35 兆像素）只需要 12 次捕獲。

第四代功能和讀出幀率

反向背照式像素結(jié)構(gòu)還提供了實(shí)現(xiàn)高度靈活的布線布局的能力，并且通過將其與具有嵌入式時(shí)鐘 (SLVS-EC) 高速接口的可擴(kuò)展低壓信號(hào)相結(jié)合，可以顯著提高讀出幀速率. 考慮到正在傳輸?shù)母叻直媛蕡D像，讀出幀速率可??以比傳統(tǒng)傳感器快近 2.4 倍。

圖 4. 高速讀出縮短了檢查過程所需的時(shí)間

在第四代傳??感器上實(shí)現(xiàn)的其他功能包括雙 ADC 數(shù)據(jù)的傳感器上組合，允許從低增益和高增益捕獲創(chuàng)建 HDR（高動(dòng)態(tài)范圍）圖像?？扉T速度已加快，快門之間的時(shí)間縮短至僅 2 μs。

結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，例如取代工廠和倉庫的視覺檢查以及工廠自動(dòng)化和配送的其他應(yīng)用，檢查和識(shí)別必須更精確、更快，從而提高效率。

第四代傳感器是整個(gè)行業(yè)和工業(yè)自動(dòng)化的一大飛躍——提供更好的圖像和更多的片上功能，從而提高工業(yè)制造過程的質(zhì)量控制和速度。

然而，這種對(duì)更高制造速度和精度的需求將繼續(xù)存在，并且在出現(xiàn)問題之前需要解決這個(gè)問題。

正如我們所見，傳感器制造商可以將像素尺寸縮小到超過該最佳點(diǎn)。事實(shí)上，可以說有些人這樣做有商業(yè)利益；利用非專家將其用作代理指標(biāo)（通常是唯一指標(biāo)）來量化其系統(tǒng)的圖像質(zhì)量。

作為一個(gè)行業(yè)，我們需要共同努力以提供更好的替代指標(biāo)。一種考慮到工業(yè)成像的復(fù)雜性的方法。一種更全面地關(guān)注質(zhì)量和數(shù)量的產(chǎn)品。最終，它就像簡(jiǎn)單的像素?cái)?shù)一樣容易理解。

　　審核編輯：湯梓紅