解决机器视觉的成像需求全局快门图像传感技术

寂静天花板

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。

+ @$ C! O* q! C. ^9 w/ w+ k全局快门CMOS图像传感器

1 R: Q) E. \# w* B3 JCMOS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。

; M% F. H9 a6 [! n( P) @) d" K# Q; [针对工业高端应用的全局快门CMOS传感器：PYTHON
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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

# i/ M& w) m- P& o. p$ xPYTHON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。

8 A% s; e2 ^1 r2 e2. 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。

PYTHON 1300
	功耗	最大帧率
标准	620 mW	210 fps
低功耗	440 mW	105 fps
PYTHON 5000
标准	1300 mW	100 fps
低功耗	800 mW	46 fps

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表1：PYTHON低功耗/帧率方案
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9 J! \& K$ `+ ?. r* Y& p# F  E# }  {3. 高且灵活的读出速度
% K  i7 K, ^$ j. xPYTHON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。

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图1：PYTHON高带宽支持高帧率和高分辨率

4. 可扩展

$ @4 {8 I! W0 M( {PYTHON系列共计9款不同器件，提供从VGA到超过2500万像素的分辨率，采用3种封装尺寸，所有器件有类似的电气和设计要求，所有的产品可共享同一个设计方案。


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图2：PYTHON系列的9款器件
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因此，基于PYTHON支持USB3以上的高带宽，可提供更快的帧率而不牺牲图像品质，达2500万像素的分辨率符合市场需要更高分辨率的趋势，九种不同的分辨率选择可根据不同应用需求提供定制的终端客户方案，可扩展性缩短设计时间，加快产品上市。

! i% _: H3 D- @# B2 y1 W" s. aPYTHON的通用平台框图如图3所示，通常用FPGA提供传感器的外部控制信号，及作为传感器的输出转换接口，同时做一些简单的图像处理，并用USB3.0、GigE、Camera Link等视频接口输出图像。



图3：PYTHON通用平台框图
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# }+ k& d+ }3 R; e  j4 E7 T9 _Interline Transfer CCD图像传感器
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( u5 x( m; P- q( SInterline Transfer CCD 比Full frame CCD提供更多的功能性，它采用电子快门，比机械快门更简单稳定，图像一致性好，噪声低，可用于对图像品质要求极为严格的机器视觉、监控、智能交通、医疗和科学等领域。安森美半导体的Interline Transfer CCD当前最常用的主要是5.5微米和7.4微米两个系列，分辨率从100万至2900万像素，光学格式从1/2”至35 mm，具有低噪声、低拖影(smear)等先进的成像性能和全局快门架构，提供黑白、拜耳色、Sparse色彩滤波阵列配置，全系列器件享有共同的输出引脚、封装和时序定义，只需一个专用的ID引脚来区分，支持一个摄像机设计用于全系列30多款产品，简化设计。其中5.5微米用于主流应用，而7.4微米用于提升的成像性能。
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1. 世界最高分辨率的Interline Transfer CCD：KAI-47051

KAI-47051图像传感器针对严格要求的成像应用如平板检测和空中侦察，提供极佳图像均匀度和全局快门架构，4700万像素可捕获非常清晰的图像细节，16路输出的架构支持帧率达7 fps，并具备黑白、拜耳色彩和Sparse CFA配置。相对于CMOS的设计，CCD的电源和时钟要求比较严格，需要专门的水平时钟驱动、垂直时钟驱动和电子快门驱动，由于是模拟信号输出，需要外部ADC将模拟信号转换成数字信号输出，再经FPGA处理，由USB3.0、GigE、Camera Link等视频接口输出图像。


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图4：KAI-47051平台框图

2. KAI-29050和KAI-08052图像传感器
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KAI-29050和KAI-08052是5.5微米的Interline Transfer CCD图像传感器，提供极佳图像均匀度和全局快门架构，及黑白、拜耳和Sparse CFA配置，4路输出，用于平板检测和空中侦察。这两款器件的像素分别为2880万和810万，支持帧率分别为4 fps 和16 fps。其中KAI-08052 具有增强的近红外灵敏度，对推动科学研究、医疗应用的发展非常重要。

$ U( f% s# u7 y" W! c9 b其它CMOS图像传感器

  H, c# g  M7 m# I3 |1.全局快门CMOS 传感器AR0135

AR0135作为AR0134的升级产品，像素大小3.75微米，像素高达100万，光学尺寸仅1/3英寸，支持60 fps的720p，功耗低，封装紧凑，读取噪声低，适用于条码扫描、工业、玩具/游戏机、汽车等领域。
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' `7 b6 q' D4 C/ q' H. @2. 全局快门CMOS 传感器AR0144

AR0144像素大小仅3微米，为目前业界像素最小的全局快门CMOS传感器，像素分辨率100万，光学尺寸仅1/4英寸，噪声低，高温下极低暗电流，支持60 fps，采用非常紧凑的封装，目标市场包括条码扫描、玩具/游戏机和工业应用。