新興HMI與MEI應(yīng)用需要低成本,、具有大批量生產(chǎn)特性以及先進(jìn)功能的新型成像器" title="成像器">成像器。本文結(jié)合Micron公司的CMOS圖像傳感器MT9V022對(duì)這種成像器的應(yīng)用以及新特性進(jìn)行了討論。

在過(guò)去25年里,，圖像傳感器主要用于機(jī)器視覺(jué)" title="機(jī)器視覺(jué)">機(jī)器視覺(jué)等機(jī)器－機(jī)器交互（MMI）應(yīng)用,，或者用于替代膠片的應(yīng)用,，如攝像機(jī),、數(shù)碼相機(jī)或手機(jī)相機(jī)。高端圖像傳感器適用于MMI產(chǎn)品,，而成本較低的消費(fèi)級(jí)圖像傳感器則主要用于產(chǎn)生吸引人眼球的圖像,。隨著高端MMI應(yīng)用對(duì)產(chǎn)品性能、速度和價(jià)格要求的提高,， DSP 處理能力和圖像傳感器性能的巨大差異以及產(chǎn)品質(zhì)量,、價(jià)格上的兩極分化，正繼續(xù)加大這兩個(gè)市場(chǎng)之間的距離,。但是,，新型人－機(jī)交互（HMI）與機(jī)器－環(huán)境交互（MEI）應(yīng)用的出現(xiàn)，需要結(jié)合了低端產(chǎn)品的低成本,、大批量生產(chǎn)特性與高端產(chǎn)品的眾多先進(jìn)功能的圖像傳感器,。這為HMI及MEI應(yīng)用的圖像傳感器創(chuàng)造出一個(gè)中間地帶，并提供一個(gè)機(jī)遇以便能將這些成像器與正在推出的功能更強(qiáng)大,、成本更低的新型DSP相結(jié)合,。

高端傳感器領(lǐng)域：大多數(shù)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用利用攝像機(jī)控制MMI,。在工廠，時(shí)間就是金錢(qián),，各種機(jī)器必須能盡可能快地協(xié)同工作,。用于MMI的高速成像器一般以數(shù)百到數(shù)千幀/秒（fps）的速度工作，當(dāng)以這種速度工作時(shí),，用于收集光的時(shí)間很短,，為解決光通量減少的問(wèn)題，通常需要高強(qiáng)度照明,，而為獲得精確的圖像,，傳感器必須具有12μm至25μm的像素尺寸以及比消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用更寬的動(dòng)態(tài)范圍。

低端傳感器領(lǐng)域：對(duì)適合大批量應(yīng)用的消費(fèi)級(jí)成像器而言,，價(jià)格是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素,，并因此推動(dòng)消費(fèi)級(jí)成像器在能產(chǎn)生可打印成清晰照片的圖像的同時(shí)，其像素尺寸也持續(xù)減小?，F(xiàn)在,，用于膠片替代應(yīng)用的消費(fèi)類(lèi)傳感器具有2μm至6μm大小的像素,，這么小的像素要求很低的噪聲基底，以產(chǎn)生可接受的圖像,。圖像質(zhì)量" title="圖像質(zhì)量">圖像質(zhì)量以是否能吸引人的眼球來(lái)判斷,，在給定標(biāo)準(zhǔn)和顯示限制的情況下，通常每個(gè)色彩通道有8位數(shù)據(jù)就足夠,。在速度方面，膠片替代應(yīng)用通常不需要捕捉被人感覺(jué)為“實(shí)時(shí)”的圖像（速度為24fps至30fps）,。

HMI與MEI應(yīng)用很少需要捕捉速度超過(guò)100fps的圖像,。一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)應(yīng)用的圖像速度都等于或稍微超過(guò)被人感覺(jué)為“實(shí)時(shí)”的速度,。

對(duì)圖像傳感器的新要求

目前人們正在圍繞“人如何與自動(dòng)化系統(tǒng)交互以及機(jī)器如何與環(huán)境交互”來(lái)開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品與市場(chǎng),。這些市場(chǎng)需要普通替代膠片傳感器的大批量生產(chǎn)、低成本特點(diǎn)以及MMI傳感器的高性能" title="高性能">高性能,。一些新型HMI與MEI應(yīng)用包括車(chē)輛占位與位置探測(cè),、司機(jī)睡意探測(cè)、汽車(chē)對(duì)駕駛員物理尺寸的自適應(yīng),、路線跟蹤,、防撞、道路標(biāo)識(shí)閱讀以及風(fēng)檔雨刮控制等,。其它應(yīng)用還包括自動(dòng)門(mén)與電梯控制,、生物測(cè)定門(mén)禁控制、條碼讀取以及消費(fèi)類(lèi)機(jī)器人技術(shù)等,。

這些新型HMI與MEI應(yīng)用都要求使用可在一定照明,、溫度及環(huán)境條件下工作的圖像傳感器。在裝有由傳感器控制的安全氣囊的汽車(chē)中,，安全系統(tǒng)必須能晝夜工作,，在這種情況下使用近紅外（NIR）傳感器將非常理想。

自從固態(tài)存儲(chǔ)器面世,，溫度飄移就帶來(lái)了泄漏的問(wèn)題,。同樣，泄漏電流也是圖像傳感器的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,，因?yàn)樗且粋€(gè)被稱(chēng)為“暗電流”的參數(shù)的重要組成部分,。暗電流是像素在整合期間所獲能量的主要部分（并非來(lái)自光子），溫度每上升5°C至8°C,，通常這個(gè)噪聲參數(shù)便會(huì)增加一倍,。在溫室擁有較低的暗電流對(duì)于傳感器是否能在更高溫度上工作非常關(guān)鍵。

所需的新特性

目前的圖像傳感器已不能滿(mǎn)足新應(yīng)用的要求,，因此業(yè)界正在生產(chǎn)新的中檔圖像傳感器來(lái)滿(mǎn)足HMI與MEI市場(chǎng)（尤其是新興的汽車(chē)市場(chǎng)）的更高要求,。這些新型圖像傳感器具有很高的分辨率和速度，可在極端條件下工作并可使用NIR照明。此外,，在傳統(tǒng)的替代膠片圖像傳感器當(dāng)中,，這些新型傳感器的成本也比較低。

增強(qiáng)的NIR照明使傳感器不僅能在非受控環(huán)境下工作,，而且還能捕捉同一場(chǎng)景中很暗與很亮區(qū)域的圖像,。像素可以選擇以獲得對(duì)光的單斜率線性響應(yīng)或者分段線性響應(yīng)，與光呈分段線性響應(yīng)關(guān)系的像素可提供多達(dá)4種線移（linear-shifted）斜率,。實(shí)際上,，光能量被壓縮以適合同一像素裝載容量，其結(jié)果是處理器可同時(shí)看到隧道的“內(nèi)外情景”,。

中檔成像器還具有雙緩沖全局快門(mén)（global shutter）功能,。在每一個(gè)像素中，光敏緩沖器與光屏蔽緩沖器互相配合,，工作的時(shí)候,，每一個(gè)光敏緩沖器都將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到光屏蔽緩沖器并復(fù)位，當(dāng)光屏蔽緩沖器將數(shù)據(jù)傳輸給一個(gè)像素時(shí),，光敏緩沖器記錄下一幀圖像,。這樣可像快照一樣捕捉圖像，省去了旋轉(zhuǎn)快門(mén)等圖像捕捉部件,。此外,，因?yàn)閮蓚€(gè)緩沖器可同步工作，所以傳感器無(wú)需等待圖像讀出即可開(kāi)始捕捉下一幀圖像,。

新型成像器解決方案

Micron的MT9V022型CMOS圖像傳感器是一種專(zhuān)門(mén)針對(duì)汽車(chē)市場(chǎng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品,，它不僅擁有目前高速產(chǎn)品線的固有特性，而且還具有消費(fèi)級(jí)成像器的大批量,、低噪聲以及價(jià)格優(yōu)勢(shì),。

MT9V022的分辨率能提供750列的寬水平視角和480行的標(biāo)準(zhǔn)行緩沖器尺寸。全分辨率時(shí),，傳感器可以60fps的速率工作,；而當(dāng)分辨率較低時(shí)，工作速率將超過(guò)200fps,，這使它能很好地與ADI Blackfin等低成本,、高性能DSP進(jìn)行接口。MT9V022還具有增強(qiáng)的NIR響應(yīng),，一般的消費(fèi)級(jí)傳感器在850nm時(shí)的NIR靈敏度為10（ QE,，而MT9V022接近40（ QE，這使其能工作在非受控環(huán)境中,。由于許多帶有很小攝像頭的HMI與MEI應(yīng)用都工作在非受控環(huán)境下,，所以成像器必須能在高溫環(huán)境下工作,。Micron公司具有低泄漏存儲(chǔ)器方面的專(zhuān)長(zhǎng)，這使他們能夠開(kāi)發(fā)出在 85°C時(shí)的暗電流小于10（飽和信號(hào)的成像器（見(jiàn)圖1）,。

Micron新型圖像傳感器將所有必需特性集成在一個(gè)基于6μm像素的陣列中,，具有自動(dòng)曝光、立體同步,、區(qū)域增益及區(qū)域曝光加權(quán)等特性,，可做成一個(gè)很容易實(shí)現(xiàn)的1/3英寸標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。

通過(guò)將Micron MT9V022這樣的產(chǎn)品與目前使用的處理器及魯棒的場(chǎng)景理解算法相結(jié)合,，明智的開(kāi)發(fā)商有望在數(shù)十億美元的HMI與MEI應(yīng)用新市場(chǎng)中占有關(guān)鍵份額,。