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作者:安森美工业和商业方案分部产品线经理 Danny Scheffer


工业应用中,包括工厂、交通系统、科学/医疗、零售、监控和机器人,图像传感器的使用正在显著增长,因为各公司寻求在其流程中引入更强大的控制,以提高质量和控制成本。


在工厂里,图像传感器为机器人提供视觉,正在改善过程中和生产线末端的检查,及改善工人的安全。在科学和医疗领域,图像传感器是数字放射显影和分布式诊断的一个基本要素,用于X射线晶体学、DNA剖析、天文摄影等等。


在我们现代生活的许多方面,安全是个长期关注的问题。 具有更高分辨率和图像质量的图像传感器正用于无人机/UAV 以实现边境安全。 随着图像传感器被用于监控十字路口和检测道路交通违规行为,以及通过自动车牌识别 (ANPR) 识别车辆,我们的道路变得越来越安全。 


图1:图像传感器广泛用于各种工业应用


随着用户需求的增加,这些图像传感器的功率和质量也在迅速提高,以增强现有应用的性能并赋能这些设备新的应用。



关键的技术推动因素


图像传感的许多技术进步正在推动这些性能的提高。 背照式 (BSI) 通过翻转硅晶片、移动布线前的光电阴极层来重新排列传感器的关键成像元件,从而显著提高对图像传感器至关重要的微光性能。


定义视频源质量的一个关键参数是传感器可提供的每秒帧数 (fps)。 将此与提高的分辨率结合意味着每帧中包含更多像素数据,这需要显著提高传感器架构的速度,以提供无“抖动”的流畅视频输入。


许多现代相机已经摒弃了机械快门,因为它们可能大而重,而且在长期使用后容易发生故障。现代相机越来越多地使用电子快门,所有的像素都被同时捕获,这种技术被称为 “全局快门”。


由于传感器越来越多地被用于含运动因素的应用中(要么传感器在移动的车辆上,要么要拍摄的场景包含移动的物品),因此需要采用快速全局快门的现代传感器来避免与 “卷帘快门”技术相关的图像 “拖尾”和其他不良的伪影。




工业视觉系统设计人员面临的挑战


在为现代应用设计相机时,需要考虑许多因素,其中许多与图像传感器的选择有关——这是决定设计成败的关键决定。


几乎所有的应用都需要高分辨率的图像传感器,比如在医疗应用中,相机要检测疾病的早期迹象,或在工厂检查应用中,必须发现最小的缺陷。然而,随着分辨率的提高,设计的其他部分也会受到影响,需要更大的数据传输带宽、更高的处理能力和更大的存储容量。


因此,指定的传感器必须足以完成任务,但不能过度指定,因为这将使设计的几乎所有方面的成本增加。


随着图像传感器被无人机/UAV和自动导引车 (AGV) 等总是由电池供电的移动应用采用,摄像头方案(包括图像传感器)的功耗现在是个重要的考虑因素。 虽然图像传感器是个重要的功能,但它消耗的电流会耗尽电池电量,缩短车辆在两次充电之间的间隔时间。


在许多情况下,摄像机执行多种任务,需要不同的分辨率,如低分辨率的摄像机用于简单的检测,而高分辨率的摄像机则用于需要检测细节的地方。


然而,由于需要使用不同的传感器实现不同的分辨率,在许多情况下,每个传感器都需要不同的设计,因而大大增加了设计任务(和时间)。即使设计完成了,由于每一个都是不同的,那么利用规模经济的能力就会大大减弱。


许多公司首次采用图像传感器来为其产品增加有价值的功能,学习曲线可能非常陡峭。一些制造商提供全面的工具,以减少设计风险并指导设计人员完成设计过程。


在许多情况下,这些工具对经验丰富的设计人员也很有价值,他们需要在更快的时间范围内进行概念验证,然后无缝开发批量生产版本。



家族式系列方案辅以设计支援


安森美(onsemi)的XGS图像传感器系列采用家族式系列方案,共7款器件,分辨率从230万像素到1600万像素,采用与行业标准的29 mm x 29 mm布板兼容的通用占位。同样,涵盖2000万像素到4500万像素范围的4款器件也享有通用的占位。


这种方法给设计人员带来的巨大好处是

他们可把已知性能的单一的相机硬件设计用于每个分辨率,且IP如固件可在整个系列的相机中重复使用。这极大地减少了设计时间和风险,并允许在制造中实现规模经济。


图2:XGS系列提供卓越的性能和极大的设计支援


在每个图像传感器中,即使是在微光条件下,先进的3.2 mm像素设计也提供出色的图像质量和低噪声水平。快速的全局快门能捕获高质量的图像,而不会出现卷帘快门技术相关的伪影。有各种速度等级可供选择,有效地利用了可用的接口带宽,从而使设计人员能够管理系统成本。尽管性能很高,但分辨率高达4500万像素的XGS器件即使在全速运行时,其功耗也低于1000 mW。


图3:XGS系列CMOS图像传感器,分辨率高达4500万像素


为了进一步支持设计工作,有三种不同的评估系统可供选择。

演示套件包括一个带有 DevSuite 软件的硬件平台,支持完整的传感器评估和访问所有寄存器。

 X-celerator 平台包括公共 FPGA 代码,并直接与 Altera® 软件和赛灵思(Xilinx®) 开发环境接口。

X-Cube 平台是完整的参考设计,用于 29 mm x 29 mm 格式,它使用 Lattice FPGA 进行 HiSPi-to-MIPI 转换。X-Cube 还使用 DevSuite 软件进行图像捕获、处理和分析。



总结


图像传感在包括工业在内的许多应用领域迅速增长,因为它使系统能识别周围的世界并与之交互。 因此,为了提供最先进的解决方案,许多公司现在首次提供视觉功能。 这会给设计人员带来非常陡峭的学习曲线,尤其是当每个传感器分辨率都需要专门的设计时。


安森美的低功耗、低噪声 XGS 系列高性能图像传感器,具有通用的占位面积,并提供多个易于使用的开发平台,全面支援设计人员快速实现最先进的相机设计。



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