圖像傳感器是電子元器件最熱的方向之一,，無論是智能手機(jī),、安防監(jiān)控、汽車電子還是工業(yè)應(yīng)用,，都在大量采用，而且增速驚人,。手機(jī)應(yīng)用上已經(jīng)普及了多攝像頭,，但是單看傳感器的成本，五攝手機(jī)的圖像傳感器加起來,，未必比一顆普通工業(yè)用傳感器貴,，而單顆高速、高分辨率工業(yè)圖像傳感器價(jià)格則要到幾千美元,，比主流旗艦手機(jī)整機(jī)還貴,。工業(yè)圖像傳感器為何成本高昂？未來工業(yè)圖像傳感器將有哪些發(fā)展趨勢(shì),？請(qǐng)看安森美半導(dǎo)體的解讀,。
近年來，機(jī)器視覺在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展非?？?，已經(jīng)從傳統(tǒng)汽車制造領(lǐng)域快速普及到電子產(chǎn)品、醫(yī)藥和食品等領(lǐng)域的生產(chǎn)制造流程中,。根據(jù)MarketsandMarkets的預(yù)測(cè),，預(yù)計(jì)到2025年全球機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模將突破130億美元，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)機(jī)器視覺的發(fā)展也極為活躍,，根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的估計(jì),，到2026年我國(guó)機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模將突破300億元。
機(jī)器視覺在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛,，常用于四類功能：視覺引導(dǎo)與定位,、模式有無識(shí)別檢測(cè)、精準(zhǔn)測(cè)量測(cè)距和產(chǎn)品外觀檢測(cè)等,。概括的說,，工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度,，主要在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合，用機(jī)器視覺來替代人工視覺,；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中,，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度,。
圖：常見工業(yè)視覺應(yīng)用及其對(duì)傳感器參數(shù)的要求
圖像傳感器是機(jī)器視覺的核心零部件,，其性能參數(shù)及功能對(duì)工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)影響很大，安森美（ON SEMI）半導(dǎo)體是全球領(lǐng)先的圖像傳感器廠商,，其產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用在汽車與工業(yè)領(lǐng)域,。近日，探索科技（techsugar）在中國(guó)機(jī)器視覺展（Vision China）上采訪了安森美半導(dǎo)體智能感知部大中華區(qū)市場(chǎng)經(jīng)理陶志,，請(qǐng)她介紹了安森美圖像傳感器在工業(yè)應(yīng)用中的布局及關(guān)注發(fā)展方向,。
工業(yè)成像對(duì)圖像傳感器的要求
據(jù)陶志介紹，和消費(fèi)電子領(lǐng)域相比,，工業(yè)成像對(duì)圖像傳感器的要求多有不同,。
首先，工作環(huán)境不同,，消費(fèi)級(jí)傳感器工作溫度范圍一般是0℃至70℃,，而工業(yè)級(jí)則要求-40℃至85℃，對(duì)元器件的可靠性要求也更高,。
其次,，工業(yè)成像一般是用機(jī)器對(duì)采集來的圖像進(jìn)行分析，因此要求成像清晰,、邊緣明確,。這就要求傳感器對(duì)光的響應(yīng)量子效率（QE）要高，像素要大,，最好有足夠大的滿井電荷容量可以滿足客戶長(zhǎng)曝光或者高光照條件下的需求,。在硅片檢測(cè)、光伏檢測(cè)和屏幕檢測(cè)過程中,，通常要面臨長(zhǎng)曝光或高光照的工作條件,。
第三，工業(yè)成像很多場(chǎng)景需要傳感器能支持短曝光,、高幀率，因此常采用全局快門,。這是因?yàn)橹圃鞓I(yè)都對(duì)生產(chǎn)效率有很高的要求,，工廠產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)速度都特別快，當(dāng)被測(cè)工件從傳送帶上移動(dòng)過來時(shí),，工業(yè)相機(jī)通常要能快速地連續(xù)抓拍幾幀圖像,，并快速讀出數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī),，還要留給算法軟件足夠的時(shí)間去分析并作出判斷，并準(zhǔn)備好對(duì)傳送帶上的下一個(gè)工件進(jìn)行抓拍,。這些要求在3C檢測(cè)中很常見,，所以此類應(yīng)用對(duì)拍照速度要求極高。
第四,，標(biāo)準(zhǔn)組織的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（例如EMVA1288）也對(duì)工業(yè)級(jí)傳感器參數(shù)給出了具體要求,。EMVA 1288的全稱是European Machine Vision Association 1288，是歐洲機(jī)器視覺協(xié)會(huì)制定的關(guān)于圖像傳感器和相機(jī)的一套性能表征標(biāo)準(zhǔn),。在工業(yè)級(jí)應(yīng)用中,，對(duì)圖像傳感器的圖像響應(yīng)一致性（Photo Response Nonuniformity，簡(jiǎn)稱RPNU）,、噪聲參數(shù),，乃至壞點(diǎn)壞線都有比較高的要求。
第五,，與手機(jī)等消費(fèi)類應(yīng)用主要工作在主動(dòng)模式拍攝不同,，工業(yè)相機(jī)檢測(cè)需要同步外部光源，這樣圖像傳感器基本都需要工作在觸發(fā)（trigger）模式,，即被動(dòng)模式,。傳感器在外部同步信號(hào)使能或探測(cè)到被測(cè)部件到來時(shí)再啟動(dòng)拍攝，可以減少傳感器實(shí)際工作時(shí)長(zhǎng),，增加傳感器工作壽命,。
值得關(guān)注的工業(yè)成像發(fā)展趨勢(shì)
陶志表示，安森美半導(dǎo)體堅(jiān)定看好機(jī)器視覺未來的發(fā)展,。目前,，全球都非常重視工業(yè)、制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí),，這為工業(yè)成像技術(shù)發(fā)展指明了方向,，而不同的工業(yè)應(yīng)用，也對(duì)傳感器提出差異化要求,。
第一,，高精度檢測(cè)對(duì)圖像傳感器像素要求越來越高。在平板檢測(cè)領(lǐng)域,，由于平板技術(shù)的持續(xù)改變,，使得平板檢測(cè)功能對(duì)圖像傳感器的要求不斷提高。面板分辨率從以往的1080P,、2K,，發(fā)展到現(xiàn)在的4K、8K,，屏幕材質(zhì)也從LCD發(fā)展到OLED,、AMOLED,，在生產(chǎn)過程中，要求能將平板顯示器像素和像素之間發(fā)光強(qiáng)度和色彩均勻度都能夠很準(zhǔn)確地偵測(cè)出來,。過去檢測(cè)LCD面板上的1顆R,，G，B像元,，需要對(duì)應(yīng)9個(gè)圖像傳感器上的像素（3×3）,，現(xiàn)在的OLED面板上檢測(cè)一個(gè)LED的R，G,，B像元?jiǎng)t對(duì)應(yīng)需要16個(gè)像素（4×4）,，甚至25顆（5×5）像素。所以,，平板檢測(cè)對(duì)圖像傳感器的像素要求越來越高,，需求已從以前的3000萬(wàn)像素，到現(xiàn)在的上億顆像素,。
第二,，工業(yè)檢測(cè)對(duì)傳感器分辨率和幀率要求越來越高。在晶圓檢測(cè),、太陽(yáng)能光伏面板檢測(cè)和線路板組裝（PCBA）的表面貼工藝（SMT）檢測(cè)等應(yīng)用中,，都對(duì)生產(chǎn)效率有較高要求。在單位時(shí)間內(nèi)所能檢測(cè)的線路板面積越大,，生產(chǎn)效率就會(huì)越高,，這就需要圖像傳感器能在單位時(shí)間內(nèi)收集更多的信息量，因此就需要在此類應(yīng)用中的傳感器分辨率高,、幀率高,。
第三，立體檢測(cè)中需要能抓取圖像傳感器的深度信息,。三維圖像的實(shí)現(xiàn),，可以利用激光雷達(dá)直接輸出點(diǎn)云來獲知深度信息，也可以利用經(jīng)濟(jì)型全局快門圖像傳感器構(gòu)成的雙目,、結(jié)構(gòu)光方案來實(shí)現(xiàn),。此外，安森美有獨(dú)家超深像素（super depth pixel）技術(shù),，非常適合3D相機(jī)對(duì)傳感器的大像元,、高幀率要求。
第四,，很多工業(yè)檢測(cè)已經(jīng)突破可見光區(qū)域,，因此需要硅基圖像傳感器能加強(qiáng)近紅外波段的量子效率。近紅外增強(qiáng)功能在物料成分分析以及運(yùn)動(dòng)軌跡抓拍中應(yīng)用很普遍,。
第五,，工業(yè)視覺應(yīng)用中將大量運(yùn)用人工智能技術(shù)?？梢哉f,，工業(yè)領(lǐng)域中的絕大多數(shù)人工智能應(yīng)用都與機(jī)器視覺技術(shù)有關(guān)，從業(yè)者期望使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在自動(dòng)化生產(chǎn)線上進(jìn)行視覺處理的訓(xùn)練,，以獲得標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)作和質(zhì)量數(shù)據(jù),，越來越多替代手動(dòng)操作部分。
圖：XGS系列演示,；圖源：現(xiàn)場(chǎng)拍攝
陶志表示,，安森美在機(jī)器視覺領(lǐng)域耕耘很久，業(yè)界對(duì)安森美的解決方案接受度很高,。國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺剛起步時(shí),，就有很多工業(yè)方案選擇了安森美的CCD和CMOS產(chǎn)品，例如PYTHON25K CMOS方案就被廣泛應(yīng)用在高鐵上,，用于檢測(cè)高鐵電網(wǎng)的接觸狀況,。在展會(huì)現(xiàn)場(chǎng)展示中，利用XGS5000高幀率特性展示了高速生產(chǎn)線檢測(cè)案例,，也有客戶開發(fā)了在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,，比如新冠檢測(cè)設(shè)備和醫(yī)藥生產(chǎn)線檢測(cè)。而近日登陸火星的美國(guó)“毅力號(hào)“火星車,，一共用了23顆相機(jī),，其中10顆相機(jī)的傳感器來自安森美的PYTHON系列CMOS傳感器和CCD傳感器。
更多信息可以來這里獲取==>>電子技術(shù)應(yīng)用-AET<<
