Объяснение глобального затвора четвертого поколения и почему для встроенных датчиков изображения нужны более высокие показатели производительности

Датчики изображения развиваются по трем основным направлениям:расширение функциональных возможностей системы с развитием Интернета вещей (IoT); внедрение новых функций, таких как встроенные поляризационные и гиперспектральные датчики, которые позволяют видеть больше, чем невооруженным глазом; и, возможно, наиболее фундаментальным достижением для большинства приложений машинного зрения является необходимость захвата с еще более высоким разрешением - и делать это быстрее.

В этой статье рассматривается эволюция датчиков изображения GS-CMOS, в том числе чего ожидать от технологии глобального затвора четвертого поколения, которая скоро появится в продаже, и их роль в улучшении качества изображения.

КМОП-датчики изображения с глобальным затвором были впервые выпущены около десяти лет назад и с тех пор сыграли решающую роль в обеспечении ускоренной производительности высокоскоростных производственных процессов. Эта технология не только давала цифровой выход, но и позволяла избежать пространственного искажения, вызванного эффектом роллинг-шторка.

Технология быстро развивалась, чтобы обеспечить более высокое качество изображения:сенсоры первого поколения обеспечивают разрешение всего 2,4 мегапикселя в формате 1 / 1,2 дюйма (размер пикселя 5,86 мкм). Требования к разрешению привели к тому, что инженеры создали сенсор второго поколения с размером пикселя 3,45 мкм, что позволило Sony обеспечивать разрешение от 0,4 до 31 мегапикселя.

Но по мере уменьшения размера пикселя количество света, достигающего каждого пикселя сенсора, уменьшается, что снижает насыщенность.

В третьем поколении был найден оптимальный баланс между этими конкурирующими факторами:небольшое увеличение размера пикселя (до 4,5 мкм) и, таким образом, увеличение емкости насыщения ближе к устройствам первого поколения, а также улучшение динамического диапазона и скорости. P>

Завершив разработку пикселей первого-третьего поколений, Sony создала портфель разрешений и оптических размеров, охватывающий устаревшую линейку ПЗС, производство которой прекращалось.

Целостный подход к созданию изображений

Системам машинного зрения необходимо не только захватывать подробные изображения для анализа, они должны собирать нужную информацию, передавать эту информацию в компьютер и делать это с исключительно высокой скоростью.

Таким образом, частота кадров считывания датчика (как и используемый стандарт передачи) является решающим элементом в этом процессе. Но то же самое можно сказать о функциях, встроенных в каждое новое поколение датчиков изображения GS-CMOS. Первое поколение включало глобальный затвор для устранения артефактов движения; и функция мультикадровой области интереса (ROI), которая позволяет передавать подмножество данных в компьютер для анализа.

Во втором поколении добавлены триггеры мультиэкспозиции, позволяющие снимать несколько экспозиций в одном кадре изображения, чтобы обеспечить получение изображений с большей глубиной информации, и уменьшено минимальное время экспозиции до 2 мкс.

Третье поколение включало в себя двойной АЦП и двойной триггер, которые позволяли снимать изображения с низким и высоким коэффициентом усиления на одном кадре, причем каждый из них мог запускаться независимо. Кроме того, было встроено усиление преобразования на датчике, чтобы лучше сбалансировать чувствительность, насыщаемость и динамический диапазон, чтобы справиться как в условиях низкой, так и в условиях яркого освещения. Наконец, был добавлен самозапуск, когда одна область интереса выступает в качестве триггера для другой.

Переверните датчик

Хотя по-прежнему можно увеличить общее количество пикселей за счет увеличения размера датчика изображения, в большинстве приложений машинного зрения используется камера с креплением C-mount, в которой используется датчик типа 1 дюйм (диагональ 16 мм).

В первых трех поколениях датчиков изображения GS-CMOS использовалась структура пикселей с передней подсветкой (см. Рис. 1), при этом свет попадал в объектив, прежде чем пройти через слой металлической проводки на светочувствительный фотодиод.

Это уменьшает свет, попадающий на слой фотодиода, при этом часть света, попадающего в линзу, направляется на слой металлической разводки.

Альтернативный подход, принятый для GS-CMOS четвертого поколения, заключается в инверсии слоев металлической проводки и светочувствительного фотодиода для создания структуры пикселей с задней подсветкой и упрощения обнаружения фотонов (см. Рисунок 2). .

Эта перевернутая структура позволяет уменьшить размер пикселя примерно до 63% по сравнению с обычным датчиком с передней подсветкой (2,74 мкм) без снижения характеристик насыщения.

Кроме того, эта инверсия позволяет расположить периферийные цепи на задней стороне датчика. Это позволяет увеличить разрешение - с 12 МП до 20 МП - при уменьшении размера упаковки примерно до 91%; даже при использовании той же оптической системы, что и предыдущие модели (см. рисунок 3).

Функции четвертого поколения и частота кадров при считывании

Перевернутая структура пикселей с задней подсветкой также дает возможность реализовать очень гибкую схему разводки, и, комбинируя это с масштабируемой низковольтной сигнализацией со встроенными часами (SLVS-EC) высокоскоростным интерфейсом, можно значительно улучшить частоту кадров считывания. . Принимая во внимание передаваемые изображения с более высоким разрешением, частота кадров считывания может быть почти в 2,4 раза быстрее, чем у обычных датчиков.

Дополнительные функции, реализованные в датчиках четвертого поколения, включают комбинацию данных двойного АЦП на датчике, позволяющую создавать изображение HDR (высокий динамический диапазон) из снимков с низким и высоким коэффициентом усиления. Скорость затвора увеличена, время между спусками затвора уменьшено до 2 мкс.

Заключение

Для реализации высокой степени автоматизации, обеспечивающей такие достижения, как замена визуального контроля на заводах и складах и в других приложениях автоматизации производства и распределения, проверка и распознавание должны быть более точными и быстрыми, что обеспечит большую эффективность.

Датчик четвертого поколения - это большой шаг вперед для отрасли и для промышленной автоматизации в целом, поскольку он позволяет получать как более качественные изображения, так и расширенный набор встроенных функций, которые улучшают контроль качества и скорость промышленных производственных процессов.

Однако потребность в еще большей скорости и точности производства будет сохраняться, и на горизонте есть проблема, которую необходимо решить, прежде чем она станет проблемой.

Как мы видели, производители сенсоров могут уменьшить размер пикселя сверх этой оптимальной точки. В самом деле, можно утверждать, что у некоторых есть коммерческий интерес; воспользоваться тем, что неспециалисты используют его в качестве косвенного показателя (часто единственного показателя) для количественной оценки качества изображения в их системе.

Мы, как отрасль, должны работать вместе, чтобы предложить лучшую альтернативную метрику. Тот, который учитывает сложный характер промышленных изображений. Тот, который более комплексно смотрит на качество и счет. И, в конечном счете, такой же простой для понимания, как простой подсчет пикселей.