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(lǐng)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(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)計人員需根據(jù)應(yīng)用需求匹配最適合的技術(shù),。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(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)用市場來講,，F(xiàn)ull Frame CCD針對科學(xué),、醫(yī)療領(lǐng)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(lǐng)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(xué)格式,、改進的輸出設(shè)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(zhì)量圖像提供準確分析,，高像素捕獲清晰的圖像細節(jié),。

　　安森美半導(dǎo)體是唯一能提供CMOS和CCD圖像傳感器的供應(yīng)商

　　安森美半導(dǎo)體傳承40多年的成像專知，結(jié)合收購的CYPRESS,、TRUESENSE,、Aptina三家公司的技術(shù)優(yōu)勢，是唯一能提供CMOS和CCD圖像傳感器的供應(yīng)商,，2015年在安防,、掃描圖像傳感器市場均有最大的市場份額，在機器視覺市場也是排名第二,。公司具備無與倫比的產(chǎn)品技術(shù)和全面豐富的產(chǎn)品組合,，寬廣的技術(shù)基礎(chǔ)包括CCD和CMOS像素設(shè)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(gòu),、專有協(xié)處理器和定制設(shè)計能力等等，像素大小從1.1 ?m 至 24 ?m,，分辨率從VGA至超過5000萬像素,，光學(xué)格式從2.2 mm至超過70 mm，并大力投資和開發(fā)未來的領(lǐng)先技術(shù),，配合市場發(fā)展,。本文將著重介紹安森美半導(dǎo)體的全局快門CMOS圖像傳感器PYTHON系列及Interline Transfer CCD圖像傳感器。

　　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(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)計小窗口輸出，使讀出更靈活,。此外,，CMOS的功耗低，設(shè)計簡單,。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CMOS和CCD圖像傳感器的成像質(zhì)量的差異會越來越小。全局快門CMOS圖像傳感器的關(guān)鍵應(yīng)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(yīng)用的全局快門CMOS傳感器：PYTHON

　　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/幀率版本及可擴展的平臺,，解決要求嚴苛的工業(yè)成像和智能交通應(yīng)用需求，如檢驗系統(tǒng),、車牌識別、監(jiān)控,、科學(xué)研究,、交通攝像機、機器人導(dǎo)引和運動分析等等,。

　　1. 優(yōu)越的圖像品質(zhì)

　　PYTHON采用專利的全局快門結(jié)構(gòu),，可確保捕獲移動物體時無運動偽影，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。

　　2. 低功耗/幀率版本可供選擇

　　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 PYTHON 1300和PYTHON 5000,，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(xué)性能,，因而成為高性價比選擇,，用于可支持低幀率的應(yīng)用。

　　表1：PYTHON低功耗/幀率方案

　　3.  高且靈活的讀出速度

　　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

　　4. 可擴展

　　PYTHON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(shè)計要求，所有的產(chǎn)品可共享同一個設(shè)計方案,。

　　圖2：PYTHON系列的9款器件

　　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(yīng)用需求提供定制的終端客戶方案，可擴展性縮短設(shè)計時間,，加快產(chǎn)品上市,。

　　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(zhuǎn)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

　　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(zhì)要求極為嚴格的機器視覺、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微米兩個系列,，分辨率從100萬至2900萬像素,，光學(xué)格式從1/2” 至35 mm，具有低噪聲,、低拖影(smear)等先進的成像性能和全局快門架構(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(shè)計用于全系列30多款產(chǎn)品，簡化設(shè)計。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

　　KAI-47051圖像傳感器針對嚴格要求的成像應(yīng)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(gòu),，4700萬像素可捕獲非常清晰的圖像細節(jié),，16路輸出的架構(gòu)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(shè)計，CCD的電源和時鐘要求比較嚴格,，需要專門的水平時鐘驅(qū)動,、垂直時鐘驅(qū)動和電子快門驅(qū)動，由于是模擬信號輸出,，需要外部ADC將模擬信號轉(zhuǎn)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4：KAI-47051平臺框圖

　　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(gòu),，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(xué)研究,、醫(yī)療應(yīng)用的發(fā)展非常重要。

　　其它CMOS圖像傳感器

　　1.全局快門CMOS 傳感器AR0135

　　AR0135作為AR0134的升級產(chǎn)品,，像素大小3.75微米,，像素高達100萬，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,、汽車等領(lǐng)域,。

　　2. 全局快門CMOS 傳感器AR0144

　　AR0144像素大小僅3微米，為目前業(yè)界像素最小的全局快門CMOS傳感器,，像素分辨率100萬,，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,，目標市場包括條碼掃描,、玩具/游戲機和工業(yè)應(yīng)用。

　　總結(jié)

　　安森美半導(dǎo)體作為唯一一家同時擁有CCD和CMOS技術(shù)的供應(yīng)商,，擁有超過2000個技術(shù)專利,，寬廣的產(chǎn)品陣容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(yīng)用發(fā)展趨勢,，滿足客戶不同的應(yīng)用需求,，并配以經(jīng)驗豐富的中國當(dāng)?shù)丶夹g(shù)團隊、強大的銷售支援,，和專注亞太的圖像工程方案中心,，協(xié)助中國廠商贏得市場。