Teledyne e2v全新微型Topaz傳感器；價格誘人，性能絕不妥協(xié)

Topaz是Teledyne e2v產(chǎn)品系列的最新成員，是工業(yè)CMOS圖像傳感器的一大重要進(jìn)步。Topaz傳感器設(shè)有150萬像素和200萬像素兩種分辨率，采用了最先進(jìn)的低噪聲、僅2.5 x 2.5μm全局快門像素技術(shù)。它們提供的光電轉(zhuǎn)換性能是幾年前兩倍于其尺寸的像素所難以達(dá)到的，并通過1.2GHz的2通道MIPI CSI-2與CPU、ISP、DSP芯片組無縫連接，對于150萬像素版本，在8bits下可達(dá)130 幀。

這些全新的1,920 x 1,080和1,920 x 800像素格式提供了功能強(qiáng)大的解決方案，并為許多應(yīng)用提供了緊湊的移動設(shè)計。裝在4.45mm寬的芯片尺寸封裝（CSP）中，光學(xué)陣列與封裝的機(jī)械中心相匹配，從而設(shè)計出超薄的移動相機(jī)和模組。Topaz150萬像素傳感器具有獨特的2.4:1寬高比，使其尤其適合快速移動的物體或傳送帶上的條碼?，F(xiàn)代制造業(yè)和物流配送中心需要通過提高傳送帶速度來提高生產(chǎn)力水平。然而，這受限于傳統(tǒng)自動檢測和掃描相機(jī)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在上述應(yīng)用中使用較為傳統(tǒng)的4:3或方形格式的機(jī)器視覺傳感器，它們存在許多冗余垂直像素的嚴(yán)重缺點，而且?guī)瘦^低。

Topaz新型傳感器的尺寸較?。?.45mm x 7.65mm），使其尤其適用于微型OEM條碼引擎設(shè)計、移動終端和掃描器、物聯(lián)網(wǎng)、非接觸式認(rèn)證系統(tǒng)、可穿戴設(shè)備、無人機(jī)和機(jī)器人。

不過，這不僅僅是尺寸問題。掃描快速移動的物體需要非常短的積分/曝光時間，以避免捕獲的圖像出現(xiàn)模糊。短的積分時間意味著積累的光子更少，然后需要信號增益來產(chǎn)生適當(dāng)?shù)幕叶戎岛蛯Ρ榷?。還有一些進(jìn)一步減少可用光子（甚至在它們到達(dá)圖像傳感器之前）的額外光學(xué)因素。值得注意的是，需要高F數(shù)的鏡頭以確保在所需的工作范圍或距離上捕獲一個充分聚焦的圖像。更高的F數(shù)意味著更小的光圈，從而再次減少了傳感器上的可用光線，如前所述，增加曝光時間并不是一個選項。那么傳感器的低光信噪比特性將是一個關(guān)鍵參數(shù)，如果這個參數(shù)不佳，唯一的補(bǔ)救措施就是增加照明。然而，這一措施伴隨額外的LED和電源成本以及更為嚴(yán)格的熱管理設(shè)計，以限制傳感器暗信號噪聲的增加，通常結(jié)節(jié)溫度每增加6到8度，暗信號噪聲就會增加一倍。

為了應(yīng)對這些低光挑戰(zhàn)，較小的2.5μm全局快門像素具有"像素內(nèi)"CDS（相關(guān)雙采樣），以實現(xiàn)通常為3個電子的總讀出噪聲。同時，先進(jìn)的雙導(dǎo)光板與零隙微透鏡最大限度地提高進(jìn)入像素感光區(qū)的光線耦合度，以實現(xiàn)低光下的良好信噪比。導(dǎo)光板和微透鏡還能實現(xiàn)一個很寬的角響應(yīng)，更接近于背照式像素，盡管Topaz采用正面照明技術(shù)。這些"像素內(nèi)"光學(xué)元件也減少了像素與像素之間的串?dāng)_，從而提供清晰圖像。

針對圖像質(zhì)量的進(jìn)一步討論需要重點關(guān)注暗信號及其對固定模式噪聲（FPN）的影響，尤其是在高溫環(huán)境下。高暗信號不均勻性（DSNU）往往會導(dǎo)致圖像中出現(xiàn)更多可見的VFPN/HFPN，即使利用了補(bǔ)償技術(shù)。Topaz傳感器具備的兩個特性確保高溫下圖像質(zhì)量的優(yōu)越性。首先，使用的半導(dǎo)體工藝節(jié)點對暗信號進(jìn)行了充分優(yōu)化，在25°C環(huán)境下通常只有3.5e-，在60°C只達(dá)到65e-。其次，垂直和水平的FPN通過片上處理得以減少，即使在高溫下也能提供可利用的圖像。

Topaz的應(yīng)用優(yōu)勢

手持/固定和移動條碼讀取器，OEM掃描引擎，自動識別：

目前用于大多數(shù)條碼讀取器的CMOS傳感器約為100萬像素，各設(shè)備制造商正在進(jìn)行價格競爭，利潤率受到侵蝕。Topaz這一新品屬于升級版，由于其更高的分辨率和獨特的寬幅，可以實現(xiàn)更長或更寬的掃描范圍。這對需要較大面積/視場（Field of View）的零售和物流掃描領(lǐng)域非常實用。相比于現(xiàn)有的解決方案，最終用戶受益于速度更快的傳送帶和更大的吞吐量。

文件掃描也需要寬幅，并且在物流和包裹遞送的移動條碼終端中是一個特別實用的功能。

出色的性價比實現(xiàn)大批量采用。憑借微小的占地面積，它們得以成為驅(qū)動全球最小的OEM掃描引擎和最薄的移動平臺的理想選擇。在200萬像素全分辨率和最大幀率下，工作功耗僅為200mW，確保了手持和移動應(yīng)用中更長的蓄電池連續(xù)使用時間。具有精細(xì)模擬增益控制的低光信噪比性能，通過將LED功率預(yù)算降到最低，在系統(tǒng)層面節(jié)約成本。

Topaz的嵌入式功能還能實現(xiàn)最快的條碼讀取優(yōu)勢。快速喚醒模式使用專有的上電復(fù)位方法，確保在省電方案中通電后，第一幀可以在10mS內(nèi)解碼。憑借幀與幀之間的現(xiàn)場控制寄存器和下一幀的快速更新，傳感器得以快速重新配置，從而減少圖像數(shù)據(jù)的浪費。

為未來而建

用于零售業(yè)POS（銷售點）的固定式條碼掃描儀除條碼讀取外還趨向于物體識別，因此水果、蔬菜和不易讀取的標(biāo)簽可以不受任何干預(yù)地通過自助收銀臺，改善顧客的購物體驗。RGB模式的Topaz可以增強(qiáng)物體識別能力，并為傳統(tǒng)的條碼讀取保持足夠的空間分辨率。

機(jī)器視覺、機(jī)器人技術(shù)和嵌入式成像應(yīng)用：

憑借高效全局快門（在660 nm時1/PLS通常高于4000），Topaz得以成為通用機(jī)器視覺應(yīng)用的高效傳感器，例如工廠自動化、自動檢測等。這些應(yīng)用往往傾于方形陣列。為了實現(xiàn)這一點，Topaz可以在水平方向上進(jìn)行裁剪或2 x 2像素合并，因此單一相機(jī)設(shè)計就能滿足所有要求。設(shè)有全面觸發(fā)輸入和輸出（包括一個切換現(xiàn)場寄存器的硬件觸發(fā)輸入）。

機(jī)器人設(shè)備用于揀選和放置或?qū)⒇浳飶囊粋€地方運至另一個地方，使用二維條碼讀取器識別貨物或料箱，同時也在工廠車間內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)航。如前所述，Topaz專為這項工作打造。出于安全和避免碰撞，不時還需用到3D，由于設(shè)備體積較小，小型立體3D相機(jī)系統(tǒng)易于設(shè)計。還有多個I2C地址（x2），因此最多2個獨立的傳感器可以占據(jù)同一控制總線。

隨著部署人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)，嵌入式視覺系統(tǒng)的普及已經(jīng)顯著增加。Topaz可以成為這些系統(tǒng)的關(guān)鍵，通過簡單的單通道或雙通道MIPI CSI-2接口，與通用的ISP處理器平臺無縫連接。Teledyne e2v推出了協(xié)助開發(fā)人員完成特定任務(wù)的基本Linux驅(qū)動程序。計劃明年推出基于Topaz傳感器的光學(xué)模組，進(jìn)一步簡化嵌入式計算機(jī)視覺系統(tǒng)的集成工作。

無人機(jī)、可穿戴相機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)邊緣成像：

基于Topaz的較小尺寸、重量和低功率，它還可應(yīng)用于無人機(jī)或遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)相機(jī)等。全高清圖像格式與16:9顯示器的兼容性使該設(shè)備自然適合于遠(yuǎn)程視覺檢查或監(jiān)視應(yīng)用。內(nèi)部溫度傳感甚至可以提供額外的環(huán)境信息和/或進(jìn)行校正溫度相關(guān)偽影。

醫(yī)學(xué)成像：

基于較小體積，牙醫(yī)行業(yè)可以受益于基于Topaz的口腔2D或3D相機(jī)。同樣，也可實現(xiàn)用于牙科匹配應(yīng)用的彩色相機(jī)。

一個日益受到人們關(guān)注的領(lǐng)域是醫(yī)療定點照護(hù)掃描產(chǎn)品。通過這些多功能手持終端，病人能夠在家通過視頻通話與醫(yī)生進(jìn)行遠(yuǎn)程醫(yī)療檢查。隨著隔離和家庭護(hù)理的需要，新冠疫情顯著推動了這一市場。相機(jī)是這些終端的組成部分，需要執(zhí)行廣泛功能，例如能夠放大區(qū)域和監(jiān)測術(shù)后瘢痕組織的進(jìn)展情況。其他生物識別和計量任務(wù)也需使用同一臺相機(jī)，Topaz就是一個理想的解決方案。

Topaz的主要性能參數(shù)和特點總結(jié)：

?2.5 x 2.5 μm全局快門像素

?分辨率（像素）1,920 (H) x 1,080 (V) 以及1,920 (H) x 800 (V)

?黑白或彩色，設(shè)有微透鏡

?1/3.2英寸光學(xué)尺寸與對角線CRA 14°或21°（200萬像素）或13.2°或20°（150萬像素）兼容

?最大幀率：(150萬像素版本)：130fps@ 8bits, 80fps @ 10bits

?最大幀率：(200萬像素版本)：100fps @ 8bits, 65fps @ 10bits

?總讀出噪聲3.3e-

?暗信號3.5e- @25°C

?最大信噪比38dB

?MTF @ Nyquist, 在550 nm時高于60%

?飽和容量通常為6,000 e-

?QE @ 550 nm時高于55%

?CSP封裝尺寸4.45 mm（V）x 7.65 mm（H）

實用片上嵌入式功能的摘要：

?2種取景窗口模式（SIMR和MIMR）

?圖像腳注中的圖像統(tǒng)計和直方圖

?全面I/O觸發(fā)功能

?最多16倍的高性能模擬增益

?快速喚醒，少于10 ms內(nèi)即可獲得第一幅優(yōu)質(zhì)圖像

?基于幀與幀之間的現(xiàn)場控制寄存器，由系統(tǒng)/軟件或硬件觸發(fā)

?暗信號校正和VFPN/HFPN校正

?片上電壓調(diào)節(jié)器/轉(zhuǎn)換器

?最多1/64的亞采樣