全局快门图像传感器解决机器视觉的成像需求分析

在“工业4.0”和“中国制造2025”的大势下，工业自动化趋势持续增强，机器视觉成为电子行业重要的新兴领域。在持续的自动化需求、社会安全保障需求和市场经济实力的推动下，全球机器视觉和智能交通系统市场迎来发展热潮。在中国，越来越多的大厂进入机器视觉市场。
　　图像传感器的性能指标及发展趋势
　　图像传感器是机器视觉系统捕获图像信息的关键元件。衡量图像传感器性能的因素包括分辨率、灵敏度、带宽、噪声、功耗、光学格式、帧率和CRA等。没有哪一种单一的图像传感技术或产品适用于所有应用，因而设计人员需根据应用需求匹配最适合的技术。相对而言，CCD传感器提供最佳的图像均匀度、高线性动态范围、高光灵敏度、大光学格式，而CMOS传感器提供灵活读取、低功耗、高帧率和高集成能力。从应用市场来讲，Full Frame CCD针对科学、医疗领域，Interline Transfer CCD和全局快门CMOS用于机器视觉和智能交通系统，线性CCD适合用在扫描、食品/饮品等领域，卷帘快门CMOS主要用于安防监控行业。而无论是CCD还是CMOS图像传感器，都朝向更小像素（但同时保留性能）、更大光学格式、改进的输出设计及工艺的趋势发展，以满足市场对更高分辨率、更快输出速度、增强的量子效率（QE）、降低噪声和降低成本的需求。高速图像捕获可提供高吞吐量，高质量图像提供准确分析，高像素捕获清晰的图像细节。
　　安森美半导体是唯一能提供CMOS和CCD图像传感器的供应商
　　安森美半导体传承40多年的成像专知，结合收购的CYPRESS、TRUESENSE、Aptina三家公司的技术优势，是唯一能提供CMOS和CCD图像传感器的供应商，2015年在安防、扫描图像传感器市场均有最大的市场份额，在机器视觉市场也是排名第二。公司具备无与伦比的产品技术和全面丰富的产品组合，宽广的技术基础包括CCD和CMOS像素设计、背照式、电子倍增、系统级芯片（SoC） 集成、专用色彩滤波阵列（CFA）、高速读取架构、专有协处理器和定制设计能力等等，像素大小从1.1 µm 至 24 µm，分辨率从VGA至超过5000万像素，光学格式从2.2 mm至超过70 mm，并大力投资和开发未来的领先技术，配合市场发展。本文将着重介绍安森美半导体的全局快门CMOS图像传感器PYTHON系列及Interline Transfer CCD图像传感器。
　　全局快门CMOS 图像传感器
　　CMOS图像传感器能提供CCD图像传感器不具备的一些功能，内部集成数字处理能力，如可在像素内部将电荷转为电压，从而提供比CCD更快的帧率。而且，CMOS架构支持用户根据自己的需要设计小窗口输出，使读出更灵活。此外，CMOS的功耗低，设计简单。虽然CCD图像传感器在成像质量上仍处于领先地位，但随着技术的发展，全局快门CMOS和CCD图像传感器的成像质量的差异会越来越小。全局快门CMOS图像传感器的关键应用包括检验、医疗成像、运动分析、安防、显微镜及智能交通等等。
　　针对工业高端应用的全局快门CMOS传感器：PYTHON
　　安森美半导体的PYTHON 系列具有优越的图像品质、高且灵活的读出速度，提供低功耗/帧率版本及可扩展的平台，解决要求严苛的工业成像和智能交通应用需求，如检验系统、车牌识别、监控、科学研究、交通摄像机、机器人导引和运动分析等等。
　　1. 优越的图像品质
　　PYTHON采用专利的全局快门结构，可确保捕获移动物体时无运动伪影，像素内相关双采样（CDS）确保低输出噪声，片上固定模式噪声（FPN）校正提供增强的图像品质，根据应用的可配置性为指定终端应用优化图像质素，高量子效率提供从紫外到近红外极佳的灵敏度，产品有黑白、彩色和近红外三种选择。
　　2. 低功耗/帧率版本可供选择
　　为满足某些客户想要降低产品功耗和成本的需求，安森美半导体还提供低功耗级 PYTHON 1300和PYTHON 5000，通过降低帧率优化约33%的功耗，同时保留PYTHON系列的高光学性能，因而成为高性价比选择，用于可支持低帧率的应用。
　　
　　表1：PYTHON低功耗/帧率方案
　　3. 高且灵活的读出速度
　　PYTHON拥有符合并超越现代接口如USB3、USB3.1、10 GigE、Cameralink的带宽，ROI模式用于定制的输出选择，开窗时速度以平方增加。
　　
　　图1：PYTHON高带宽支持高帧率和高分辨率