Четвертое поколение глобального затвора CMOS сенсоров: повышенная производительность для высокоскоростной промышленной визуализации

Имидж сенсоры развиваются по трем взаимосвязанным траекториям: расширение системной функциональности, движимое Интернетом вещей, интеграция передовых фич таких как на-чип поляризация и гиперспектральные способности, и — наиболее критично для машинного зрения — захват все более высоких разрешений на более высоких скоростях.

Эта статья исследует эволюцию GS-CMOS имидж сенсоров, описывает прорывы грядущего четвертого поколения глобального затвора технологии и объясняет, почему встроенные сенсоры теперь требуют превосходных метрик производительности.

Глобальный затвор CMOS сенсоры впервые появились примерно десятилетие назад, революционизируя высокоскоростное производство доставкой полно-кадрового цифрового выхода, устраняющего пространственную дисторсию, присущую rolling-shutter устройствам.

Ранние модели предлагали скромное качество изображения: первое поколение давало 2,4 Мп в формате 1/1.2" с пикселем 5,86 мкм. По мере роста потребностей в разрешении, Sony спроектировала второе поколение пикселя 3,45 мкм, позволяя диапазон разрешения от 0,4 Мп до 31 Мп. Однако усадка пикселей снижает фотонный поток на пиксель, понижая насыщающую способность.

С третьим поколением Sony сбалансировала эти компромиссы, увеличив размер пикселя до 4,5 мкм, тем самым восстанавливая насыщающую способность близко к уровню первого поколения в то время как улучшая динамический диапазон и скорость считывания. Завершая переход от первого к третьему поколению, Sony смогла предложить комплексное портфолио разрешения и оптического размера, вытесняя легаси CCD.

Холистический захват изображения для машинного зрения

Промышленные системы зрения должны захватывать не только детальные изображения но и правильную информацию, доставлять ее компьютеру и делать это на исключительных скоростях. Частота кадров считывания сенсора — и пропускная способность интерфейса передачи — поэтому критичны. Каждое новое GS-CMOS поколение также встраивает дополнительные на-чип фичи, расширяющие функциональность.

• Поколение 1: Ввело глобальный затвор для устранения артефактов движения и multi-frame ROI для передачи только выбранных данных для анализа.
• Поколение 2: Добавило multi-exposure триггеры, позволяя множественные экспозиции на кадр для более богатой глубины информации, и снизило минимальное время экспозиции до 2 мкс.
• Поколение 3: Обладало дуальными АЦП и дуальными триггерами для независимого low- и high-gain изображения, на-сенсорной конвертацией gain для сбалансированной чувствительности, насыщения и динамического диапазона, и self-trigger механизмом линкующим ROI.

Инвертирование архитектуры сенсора

В то время как более крупные размеры сенсора могут увеличить счетчик пикселей, большинство машинного зрения приложений используют C-mount камеры с 1-дюймовым (16 мм диагональ) сенсором. Первые три GS-CMOS поколения использовали front-illuminated пиксельную структуру, где входящий свет проходит через металлический wiring-слой перед достижением фотодиода, уменьшая фотонный сбор.

Четвертое поколение GS-CMOS инвертирует это расположение, помещая металлический wiring за светочувствительными фотодиодами для формирования back-illuminated пикселя. Эта архитектура уменьшает размер пикселя примерно до 63% конвенционального front-illuminated сенсора (2,74 мкм) без компромисса насыщения.

Эта инверсия также релокецирует периферийные цепи на заднюю сторону сенсора, позволяя скачок разрешения от 12 Мп до 20 Мп в то время как уменьшая пакет примерно до 91% предыдущего размера — даже при сопряжении с той же оптической системой.

Фичи четвертого поколения и ускоренное считывание

Back-illuminated дизайн позволяет высоко гибкую компоновку wiring, и в комбинации с масштабируемым низковольтным сигналом с встроенными часами (SLVS-EC) высокоскоростным интерфейсом, достигает частот считывания почти 2,4x быстрее конвенциональных сенсоров, даже с более высокоразрешающими изображениями.

Дополнительные на-чип инновации включают дуальную АЦП data fusion для создания HDR изображений из low- и high-gain захватов, и ускоренную скорость затвора, снижающую интервал между экспозициями до всего 2 мкс.

Заключение

Высокостепенная автоматизация — такая как замена визуального инспектирования на фабриках и складах — требует инспектирования и распознавания, которые являются и точными, и быстрыми. Четвертое поколение GS-CMOS сенсора представляет значительный шаг вперед, доставляя превосходное качество изображения, более богатый набор на-чип фич и более быструю пропускную способность, которые коллективно улучшают контроль качества и производственную эффективность.

Тем не менее, безудержный толчок к скорости и точности будет продолжать вызывать вызовов дизайнерам сенсоров. По мере дальнейшего уменьшения размеров пикселей, индустрия должна принять метрики, отражающие истинную сложность промышленной визуализации, за пределами простого счетчика пикселей. Холистическая, легко понятная метрика, захватывающая и качество изображения, и производительность, будет необходима для руководства будущими инновациями.