解释了第四代全局快门，以及为什么嵌入式图像传感器需要更好的性能指标

发布时间: 2023-05-05 09:27:11 电子资讯发布人: 久芯网浏览量: 107

图像传感器正在以三种核心方式发展：随着物联网的兴起，系统功能更加边缘化；实现新功能，如片上偏振和高光谱传感器，可以看到比肉眼更多的东西；而且，对于大多数机器视觉应用来说，最基本的进步可能是需要以越来越高的分辨率进行捕捉，而且速度更快。本文...

图像传感器正在以三种核心方式发展：随着物联网的兴起，系统功能更加边缘化；实现新功能，如片上偏振和高光谱传感器，可以看到比肉眼更多的东西；而且，对于大多数机器视觉应用来说，最基本的进步可能是需要以越来越高的分辨率进行捕捉，而且速度更快。

本文介绍了GS-CMOS图像传感器的发展，包括即将上市的第四代全球快门技术的预期，以及它们在提高成像性能方面的作用。

全球快门CMOS图像传感器大约在十年前首次推出，自那以后，它在加速高速制造工艺的生产方面发挥了至关重要的作用。该技术不仅提供了数字输出，还避免了卷帘效应造成的空间失真。

这项技术发展迅速，提供了更高的图像质量，第一代传感器的1/1.2“格式（5.86µm像素大小）仅提供240万像素。对分辨率的要求意味着工程师们创造了3.45µm的第二代传感器像素尺寸，使索尼能够覆盖0.4至3100万像素的分辨率。

但随着像素尺寸的缩小，到达传感器中每个像素的光量也会减少，从而降低饱和容量。

在第三代设备中，在这些竞争因素之间寻求最佳平衡：略微增加像素大小（至4.5µm），从而增加接近第一代设备的饱和容量，同时提高动态范围和速度。

随着第一代到第三代像素的完成，索尼创建了一个分辨率和光学尺寸的产品组合，涵盖了正在停产的传统CCD系列。

图像捕捉的整体方法

机器视觉系统不仅需要捕捉详细的图像进行分析，还需要捕捉正确的信息，将这些信息传输到计算机上，并以极高的速度进行分析。

因此，传感器的读出帧速率（与所使用的传输标准一样多）是这一过程中的关键因素。但每一代GS-CMOS图像传感器中嵌入的功能也是如此。第1代包括全局快门，以消除运动伪影；以及多帧感兴趣区域（ROI）特征，其允许将数据子集传递给计算机进行分析。

第2代增加了多次曝光触发器，允许在一个图像帧内拍摄多次曝光，以确保拍摄的图像具有更大的信息深度，并将最短曝光时间缩短至仅2µs。

第3代包括双ADC和双触发器，允许在同一帧上拍摄低增益和高增益图像，每个图像都可以独立触发。此外，还嵌入了传感器上的转换增益，以更好地平衡灵敏度、饱和容量和动态范围，从而应对弱光和强光条件。最后，添加了一个自触发器，一个ROI充当另一个ROI的触发器。

翻转传感器

虽然仍然可以通过增加图像传感器的尺寸来增加总像素数，但大多数机器视觉应用都使用C型安装相机，该相机使用1英寸类型的传感器（16毫米对角线）。

前三代GS-CMOS图像传感器使用前照像素结构（见图1），光线在穿过金属布线层到达光敏光电二极管之前进入透镜。

这减少了到达光电二极管层的光，其中进入透镜的光的一部分被引导到金属布线层上。

图1。前照式GS-CMOS图像传感器分层

第四代GS-CMOS采用的另一种方法是反转金属布线和光敏光电二极管层，以创建背光像素结构，并使光子更容易被检测到（见图2）。

图2:背照式GS-CMOS图像传感器分层

与传统的前照式传感器（2.74µm）相比，这种倒置结构可以将像素大小减少到约63%，而不会降低饱和特性。

此外，这种反转允许将外围电路布置在传感器的背面。这样可以将分辨率从12MP提高到20MP，同时将封装尺寸降低到91%左右；即使使用与以前型号相同的光学系统（见图3）。

Sony figure 3

图3。高清晰度允许更大的成像区域，这反过来又减少了所需的捕获次数。在左手边，传统产品（IMX253，1237万像素）需要25次拍摄；在右边，新产品（IMX5312035万像素）只需要12次拍摄。

第四代功能和读出帧速率

反向背光像素结构还提供了实现高度灵活的布线布局的能力，并且通过将其与具有嵌入式时钟（SLVS-EC）高速接口的可扩展低电压信令相结合，可以显著提高读出帧速率。考虑到正在传输的更高分辨率图像，读出帧速率可以比传统传感器快近2.4倍。

图4。高速读出缩短了检查过程所需的时间

在第四代传感器上实现的附加功能包括双ADC数据的传感器上组合，允许根据低增益和高增益捕获创建HDR（高动态范围）图像。快门速度加快，快门之间的时间降至2µs。

结论

为了实现高度自动化，例如取代工厂和仓库的目视检查，以及在工厂自动化和配送的其他应用中，检查和识别必须更精确、更快，从而提高效率。

第四代传感器是该行业和整个工业自动化的一大飞跃，它可以提供更好的图像和更大的片上功能，从而提高工业制造过程的质量控制和速度。

然而，这种对更高制造速度和精度的需求将继续下去，而且在问题出现之前，有一个问题需要解决。

正如我们所看到的，传感器制造商可以将像素大小缩小到最佳点之外。事实上，可以说，有些人这样做是出于商业利益；利用非专家将其用作代理度量（通常是唯一的度量）来量化其系统的图像质量。

作为一个行业，我们需要共同努力，提供更好的替代指标。考虑到工业成像的复杂性。一种更全面地看待质量和数量的方法。最终，这是一个简单易懂的像素计数。

Roberto Buttaci是索尼半导体解决方案欧洲并负责索尼在欧洲的工业、AV和可穿戴CMOS图像传感器。

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