Topaz是Teledyne e2v產(chǎn)品系列的最新成員,，是工業(yè)CMOS圖像傳感器的一大重要進步,。Topaz傳感器設有150萬像素和200萬像素兩種分辨率，采用了最先進的低噪聲,、僅2.5 x 2.5?m全局快門像素技術(shù),。它們提供的光電轉(zhuǎn)換性能是幾年前兩倍于其尺寸的像素所難以達到的，并通過1.2GHz的2通道MIPI CSI-2與CPU,、ISP,、DSP芯片組無縫連接，對于150萬像素版本,，在8bits下可達130 幀,。
這些全新的1,920 x 1,080和1,920 x 800像素格式提供了功能強大的解決方案，并為許多應用提供了緊湊的移動設計,。裝在4.45mm寬的芯片尺寸封裝（CSP）中,，光學陣列與封裝的機械中心相匹配，從而設計出超薄的移動相機和模組,。Topaz150萬像素傳感器具有獨特的2.4:1寬高比,，使其尤其適合快速移動的物體或傳送帶上的條碼。現(xiàn)代制造業(yè)和物流配送中心需要通過提高傳送帶速度來提高生產(chǎn)力水平,。然而,，這受限于傳統(tǒng)自動檢測和掃描相機系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在上述應用中使用較為傳統(tǒng)的4:3或方形格式的機器視覺傳感器,，它們存在許多冗余垂直像素的嚴重缺點,，而且?guī)瘦^低,。
Topaz新型傳感器的尺寸較小（4.45mm x 7.65mm）,，使其尤其適用于微型OEM條碼引擎設計、移動終端和掃描器,、物聯(lián)網(wǎng),、非接觸式認證系統(tǒng)、可穿戴設備,、無人機和機器人,。
不過，這不僅僅是尺寸問題,。掃描快速移動的物體需要非常短的積分/曝光時間,，以避免捕獲的圖像出現(xiàn)模糊。短的積分時間意味著積累的光子更少,，然后需要信號增益來產(chǎn)生適當?shù)幕叶戎岛蛯Ρ榷?。還有一些進一步減少可用光子（甚至在它們到達圖像傳感器之前）的額外光學因素。值得注意的是,，需要高F數(shù)的鏡頭以確保在所需的工作范圍或距離上捕獲一個充分聚焦的圖像,。更高的F數(shù)意味著更小的光圈，從而再次減少了傳感器上的可用光線,，如前所述,，增加曝光時間并不是一個選項。那么傳感器的低光信噪比特性將是一個關(guān)鍵參數(shù),，如果這個參數(shù)不佳,，唯一的補救措施就是增加照明。然而,，這一措施伴隨額外的LED和電源成本以及更為嚴格的熱管理設計,，以限制傳感器暗信號噪聲的增加，通常結(jié)節(jié)溫度每增加6到8度,，暗信號噪聲就會增加一倍,。
為了應對這些低光挑戰(zhàn)，較小的2.5?m全局快門像素具有"像素內(nèi)"CDS（相關(guān)雙采樣）,，以實現(xiàn)通常為3個電子的總讀出噪聲,。同時，先進的雙導光板與零隙微透鏡最大限度地提高進入像素感光區(qū)的光線耦合度,，以實現(xiàn)低光下的良好信噪比,。導光板和微透鏡還能實現(xiàn)一個很寬的角響應，更接近于背照式像素,，盡管Topaz采用正面照明技術(shù),。這些"像素內(nèi)"光學元件也減少了像素與像素之間的串擾,，從而提供清晰圖像。
針對圖像質(zhì)量的進一步討論需要重點關(guān)注暗信號及其對固定模式噪聲（FPN）的影響,，尤其是在高溫環(huán)境下,。高暗信號不均勻性（DSNU）往往會導致圖像中出現(xiàn)更多可見的VFPN/HFPN，即使利用了補償技術(shù),。Topaz傳感器具備的兩個特性確保高溫下圖像質(zhì)量的優(yōu)越性,。首先，使用的半導體工藝節(jié)點對暗信號進行了充分優(yōu)化,，在25°C環(huán)境下通常只有3.5e-,，在60°C只達到65e-。其次,，垂直和水平的FPN通過片上處理得以減少,，即使在高溫下也能提供可利用的圖像。
Topaz的應用優(yōu)勢
手持/固定和移動條碼讀取器,，OEM掃描引擎,，自動識別：
目前用于大多數(shù)條碼讀取器的CMOS傳感器約為100萬像素，各設備制造商正在進行價格競爭,，利潤率受到侵蝕,。Topaz這一新品屬于升級版，由于其更高的分辨率和獨特的寬幅,，可以實現(xiàn)更長或更寬的掃描范圍,。這對需要較大面積/視場（Field of View）的零售和物流掃描領(lǐng)域非常實用。相比于現(xiàn)有的解決方案,，最終用戶受益于速度更快的傳送帶和更大的吞吐量,。
文件掃描也需要寬幅，并且在物流和包裹遞送的移動條碼終端中是一個特別實用的功能,。
出色的性價比實現(xiàn)大批量采用,。憑借微小的占地面積，它們得以成為驅(qū)動全球最小的OEM掃描引擎和最薄的移動平臺的理想選擇,。在200萬像素全分辨率和最大幀率下,，工作功耗僅為200mW，確保了手持和移動應用中更長的蓄電池連續(xù)使用時間,。具有精細模擬增益控制的低光信噪比性能,，通過將LED功率預算降到最低，在系統(tǒng)層面節(jié)約成本,。
Topaz的嵌入式功能還能實現(xiàn)最快的條碼讀取優(yōu)勢,。快速喚醒模式使用專有的上電復位方法,，確保在省電方案中通電后,，第一幀可以在10mS內(nèi)解碼,。憑借幀與幀之間的現(xiàn)場控制寄存器和下一幀的快速更新，傳感器得以快速重新配置,，從而減少圖像數(shù)據(jù)的浪費,。
為未來而建
用于零售業(yè)POS（銷售點）的固定式條碼掃描儀除條碼讀取外還趨向于物體識別，因此水果,、蔬菜和不易讀取的標簽可以不受任何干預地通過自助收銀臺,，改善顧客的購物體驗。RGB模式的Topaz可以增強物體識別能力,，并為傳統(tǒng)的條碼讀取保持足夠的空間分辨率。
機器視覺,、機器人技術(shù)和嵌入式成像應用：
憑借高效全局快門（在660 nm時1/PLS通常高于4000）,，Topaz得以成為通用機器視覺應用的高效傳感器，例如工廠自動化,、自動檢測等,。這些應用往往傾于方形陣列。為了實現(xiàn)這一點,，Topaz可以在水平方向上進行裁剪或2 x 2像素合并,，因此單一相機設計就能滿足所有要求。設有全面觸發(fā)輸入和輸出（包括一個切換現(xiàn)場寄存器的硬件觸發(fā)輸入）,。
機器人設備用于揀選和放置或?qū)⒇浳飶囊粋€地方運至另一個地方,，使用二維條碼讀取器識別貨物或料箱，同時也在工廠車間內(nèi)進行導航,。如前所述,，Topaz專為這項工作打造。出于安全和避免碰撞,，不時還需用到3D,，由于設備體積較小，小型立體3D相機系統(tǒng)易于設計,。還有多個I?C地址（x2）,，因此最多2個獨立的傳感器可以占據(jù)同一控制總線。
隨著部署人工智能和機器學習,，嵌入式視覺系統(tǒng)的普及已經(jīng)顯著增加,。Topaz可以成為這些系統(tǒng)的關(guān)鍵，通過簡單的單通道或雙通道MIPI CSI-2接口,，與通用的ISP處理器平臺無縫連接,。Teledyne e2v推出了協(xié)助開發(fā)人員完成特定任務的基本Linux驅(qū)動程序。計劃明年推出基于Topaz傳感器的光學模組,，進一步簡化嵌入式計算機視覺系統(tǒng)的集成工作,。
無人機,、可穿戴相機和物聯(lián)網(wǎng)邊緣成像：
基于Topaz的較小尺寸、重量和低功率,，它還可應用于無人機或遠程物聯(lián)網(wǎng)相機等,。全高清圖像格式與16:9顯示器的兼容性使該設備自然適合于遠程視覺檢查或監(jiān)視應用。內(nèi)部溫度傳感甚至可以提供額外的環(huán)境信息和/或進行校正溫度相關(guān)偽影,。
醫(yī)學成像：
基于較小體積,，牙醫(yī)行業(yè)可以受益于基于Topaz的口腔2D或3D相機。同樣,，也可實現(xiàn)用于牙科匹配應用的彩色相機,。
一個日益受到人們關(guān)注的領(lǐng)域是醫(yī)療定點照護掃描產(chǎn)品。通過這些多功能手持終端,，病人能夠在家通過視頻通話與醫(yī)生進行遠程醫(yī)療檢查,。隨著隔離和家庭護理的需要，新冠疫情顯著推動了這一市場,。相機是這些終端的組成部分,，需要執(zhí)行廣泛功能，例如能夠放大區(qū)域和監(jiān)測術(shù)后瘢痕組織的進展情況,。其他生物識別和計量任務也需使用同一臺相機,，Topaz就是一個理想的解決方案。
Topaz的主要性能參數(shù)和特點總結(jié)：
2.5 x 2.5 μm全局快門像素
分辨率（像素）1,920 （H） x 1,080 （V） 以及1,920 （H） x 800 （V）
黑白或彩色,，設有微透鏡
1/3.2英寸光學尺寸與對角線CRA 14°或21°（200萬像素）或13.2°或20°（150萬像素）兼容
最大幀率：（150萬像素版本）：130fps@ 8bits, 80fps @ 10bits
最大幀率：（200萬像素版本）：100fps @ 8bits, 65fps @ 10bits
總讀出噪聲3.3e-
暗信號3.5e- @25°C
最大信噪比38dB
MTF @ Nyquist, 在550 nm時高于60%
飽和容量通常為6,000 e-
QE @ 550 nm時高于55%
CSP封裝尺寸4.45 mm（V）x 7.65 mm（H）
實用片上嵌入式功能的摘要：
2種取景窗口模式（SIMR和MIMR）
圖像腳注中的圖像統(tǒng)計和直方圖
全面I/O觸發(fā)功能
最多16倍的高性能模擬增益
快速喚醒,，少于10 ms內(nèi)即可獲得第一幅優(yōu)質(zhì)圖像
基于幀與幀之間的現(xiàn)場控制寄存器，由系統(tǒng)/軟件或硬件觸發(fā)
暗信號校正和VFPN/HFPN校正
片上電壓調(diào)節(jié)器/轉(zhuǎn)換器
最多1/64的亞采樣
