全局快門圖像傳感技術(shù)滿足動(dòng)態(tài)視覺(jué)市場(chǎng)不斷演變的需求

當(dāng)前應(yīng)用版本的不斷演變和大量令人興奮的新興應(yīng)用正在創(chuàng)造對(duì)高性能圖像傳感器的巨大需求。能夠很好地說(shuō)明這一點(diǎn)的是，到2020年圖像傳感設(shè)備復(fù)合年增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)接近8%。鑒于包括各類小型、便攜或“移動(dòng)”產(chǎn)品的增長(zhǎng)趨勢(shì)，對(duì)于從非常差到極亮的光線條件范圍下，能夠捕獲動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中的清晰圖像的傳感器的需求也在日益增加。

鑒于它們的操作性質(zhì)，基于卷簾快門的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)可能難以達(dá)到所需的圖像質(zhì)量。與此同時(shí)，全局快門設(shè)計(jì)則能夠捕捉高質(zhì)量圖像，而無(wú)任何拖尾、彎曲或偽影。

安森美半導(dǎo)體的AR0144等最新的器件也包含增加更多圖像傳感應(yīng)用的實(shí)用性和多功能性的功能和特性。在一些激動(dòng)人心的終端產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)下，全局快門圖像傳感器市場(chǎng)正在迅速崛起。設(shè)計(jì)人員需要高性能，對(duì)傳感器有嚴(yán)格的工作參數(shù)，從而為其提供可在所有光照條件下，以及在靜態(tài)和移動(dòng)環(huán)境中都能工作的小而高功能方案。

隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等技術(shù)的進(jìn)步，我們的世界變得更加智能且日益互聯(lián)。機(jī)器也需要更多地了解周圍環(huán)境。因此，有數(shù)十億互聯(lián)的傳感器報(bào)告溫度、濕度、光線以及其他各種參數(shù)，讓智能設(shè)備能夠代表我們做出決定并控制事物。

雖然進(jìn)步迅速而顯著，但傳統(tǒng)的傳感通常只能以嚴(yán)格定義的方式測(cè)量一個(gè)參數(shù)。當(dāng)我們轉(zhuǎn)向下一代技術(shù)革命時(shí)，圖像傳感器即將脫穎而出，為我們的世界提供更為復(fù)雜的傳感和記錄。

圖像傳感市場(chǎng)已經(jīng)非常龐大，預(yù)計(jì)還將迅速增長(zhǎng)。領(lǐng)先的研究公司Mordor Intelligence (www.mordorintelligence.com) 預(yù)計(jì)，2018年全球圖像傳感器市場(chǎng)將達(dá)到126.7億美元，并將從2014到2020年平均每年增長(zhǎng)7.69%。

隨著技術(shù)的演進(jìn)和完善，用于圖像傳感器的新應(yīng)用也在不斷增加;即使在傳統(tǒng)市場(chǎng)也看到了需求。條形碼無(wú)處不在，但是對(duì)于消費(fèi)或商業(yè)應(yīng)用中的圖像傳感器來(lái)說(shuō)，要在低于理想光照條件下更加快速地做到高度精準(zhǔn)地讀取條形碼并非易事。無(wú)人機(jī)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)(AR / VR)等全新應(yīng)用都依賴圖像數(shù)據(jù)來(lái)避免沖撞，采集手勢(shì)輸入信息或精確的3D地圖場(chǎng)景，以提升用戶體驗(yàn)。

高端和專業(yè)安防攝像機(jī)技術(shù)正變得越來(lái)越復(fù)雜，并將顯著地受益于最新圖像傳感器帶來(lái)的視覺(jué)技術(shù)提升。安防攝像頭不僅能夠在微光照條件下工作，新應(yīng)用也在不斷被開(kāi)發(fā)，由于技術(shù)的進(jìn)步，即使是正在在高速行駛的車輛，車牌也能被讀取。

傳感器中的快門技術(shù)

在CMOS圖像傳感器中，可提供兩種類型的快門——卷簾快門和全局快門。卷簾快門自上而下逐步掃描圖像，依次曝光每一行。

圖1：卷簾快門自上而地逐行曝光傳感器

雖然這種方法是模仿大多數(shù)攝像機(jī)的機(jī)械快門，但有一定的局限性(以及益處)。如果配有傳感器的攝像機(jī)和所捕獲的場(chǎng)景都相對(duì)靜止，那么就不會(huì)有任何問(wèn)題。但是，由于自上而下移動(dòng)的掃描需要一定的時(shí)間(隨著更多的像素添加到傳感器，所需的時(shí)間也越長(zhǎng))，那么如果在此期間攝像機(jī)或拍攝主體移動(dòng)，則會(huì)導(dǎo)致圖像失真。這就是為什么旋轉(zhuǎn)的飛機(jī)螺旋槳照片看起來(lái)很扭曲。卷簾快門圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)是更高的分辨率、更小的像素以及最新的像素技術(shù)能夠以成本效益的方案驅(qū)動(dòng)更高的整體圖像質(zhì)量。

全局快門通過(guò)記錄將整個(gè)圖像整合并復(fù)制到存儲(chǔ)區(qū)時(shí)所捕獲的光線水平，避免圖像拖尾或彎曲，從而抵消攝像機(jī)移動(dòng)或場(chǎng)景內(nèi)移動(dòng)所產(chǎn)生的任何影響。

圖2：使用卷簾快門的模糊的風(fēng)扇圖像(左圖)和使用全局快門的非模糊版本(右圖)

隨著捕獲移動(dòng)對(duì)象的不失真圖像的需求增長(zhǎng)(例如無(wú)人機(jī)和AR / VR應(yīng)用)，全局快門意味著完全具有代表性的、清晰的場(chǎng)景捕獲將成為可能。

考慮到許多視覺(jué)傳感器應(yīng)用的移動(dòng)和電池供電特性，小尺寸、重量輕和低能耗工作將成為關(guān)鍵的成功因素。除此之外，還需要在較差光照下(包括微光照水平、以及同一幀中極端明暗情況)能夠精準(zhǔn)地捕獲圖像 。

具有全局快門技術(shù)的圖像傳感器用于現(xiàn)代應(yīng)用

安森美半導(dǎo)體近期推出了AR0144，它是一款1/4英寸、1.0百萬(wàn)像素(Mp)(1280H x 800V)的CMOS數(shù)碼圖像傳感器，可捕獲清晰、準(zhǔn)確的圖像，明亮和微光條件下都不會(huì)出現(xiàn)偽影。3.0um像素傳感器采用全局快門，滿足在靜態(tài)和移動(dòng)場(chǎng)景應(yīng)用中準(zhǔn)確和快速的捕獲影像的嚴(yán)格要求。其高快門效率和信噪比充分降低重影和噪音影響，提高了整體圖像質(zhì)量。

在條形碼掃描儀等靜態(tài)應(yīng)用中，AR0144通過(guò)確保初次掃描來(lái)保證快速的結(jié)果。在無(wú)人機(jī)等電池供電的動(dòng)態(tài)應(yīng)用中，該傳感器的低能耗特性(<200mW)能夠延長(zhǎng)充電時(shí)間間隔，其成像性能可提供更佳的環(huán)境映射，避免嚴(yán)重碰撞?？焖俚男阅芎蜏?zhǔn)確的成像讓AR/VR應(yīng)用能夠?qū)崟r(shí)渲染場(chǎng)景，從而提升用戶體驗(yàn)。

AR0144具有高度的靈活性，可選擇主圖像/視頻、觸發(fā)幀/單幀以及自動(dòng)觸發(fā)操作模式。曝光時(shí)間通過(guò)雙線串行接口進(jìn)行控制，列框選尺寸和消隱時(shí)間配置令分辨率和幀率(全分辨率時(shí)達(dá)到60fps)可調(diào)整，以覆蓋應(yīng)用所需的任何興趣區(qū)(ROI)。

該傳感器提供單色和彩色版本。由于像素尺寸減小，傳感器比前幾代產(chǎn)品縮小了50%。5.6 mm x 5.6 mm芯片尺寸或裸片格式可選，使超小方案能夠輕松地嵌入空間受限的手持或便攜設(shè)備。

總結(jié)

隨著傳感轉(zhuǎn)向完全基于視覺(jué)的系統(tǒng)，使得互聯(lián)設(shè)備能夠真正“看到”并解讀其環(huán)境，全局快門技術(shù)代表了在產(chǎn)出高質(zhì)量圖像方面邁出的重要一步，即使在具有挑戰(zhàn)性的條件下也是如此。

市場(chǎng)永遠(yuǎn)不會(huì)停滯不前，而且對(duì)更高分辨率傳感器的需求將不斷增長(zhǎng)，以解決更多細(xì)節(jié)問(wèn)題。安森美半導(dǎo)體就是在這一領(lǐng)域持續(xù)創(chuàng)新的一個(gè)例子，安森美半導(dǎo)體正在開(kāi)發(fā)更為先進(jìn)且功能全面的全局快門傳感器。