作者：安森美半導(dǎo)體圖像傳感器事業(yè)部工業(yè)解決方案部門產(chǎn)品營銷經(jīng)理Michael DeLuca
盡管基于CMOS技術(shù)的圖像傳感器在許多應(yīng)用中已得到廣泛應(yīng)用，但一些要求嚴(yán)苛的工業(yè)成像應(yīng)用仍需要CCD圖像傳感器獨(dú)有的性能。
舉一個(gè)例子，關(guān)鍵的平板顯示器生產(chǎn)線終端檢測仍然主要由采用CCD的相機(jī)來執(zhí)行，因?yàn)樗鼈兡芴峁└叻直媛屎统錾膱D像均勻性，這是目前CMOS圖像傳感器技術(shù)無法提供的。
這一類的檢測通常由使用基于安森美半導(dǎo)體的2900萬像素(Mp)，35 mm光學(xué)格式的KAI-29050圖像傳感器等器件的相機(jī)來執(zhí)行。然而，平板顯示器分辨率越來越高，用來檢測它們的相機(jī)分辨率也需要相應(yīng)的提升。為滿足這一需求并保留標(biāo)準(zhǔn)的35 mm光學(xué)格式，需要既能減小像素尺寸，同時(shí)又能保留應(yīng)用所需的關(guān)鍵性能和圖像均勻性規(guī)格的全新像素設(shè)計(jì)。
對高性能、高分辨率成像的需求
如今，成像推動了工業(yè)應(yīng)用的生產(chǎn)力效益，從交通監(jiān)控、車牌識別，到條形碼掃描、機(jī)器人引導(dǎo)、機(jī)器視覺等等。盡管每種應(yīng)用都有其獨(dú)特的需求（一些需要高幀速率，另一些需要寬動態(tài)范圍、微光靈敏度或某個(gè)不同的關(guān)鍵參數(shù)），一些應(yīng)用主要需要最高級別的圖像細(xì)節(jié)，要求開發(fā)具有非常高分辨率的圖像傳感器。
一個(gè)很好的例子是平板顯示器的生產(chǎn)線終端檢測，這個(gè)流程是要確認(rèn)每個(gè)顯示像素中紅、綠和藍(lán)三個(gè)子元素都能正常工作。隨著顯示器的應(yīng)用在移動設(shè)備、平板電腦、電視機(jī)、車輛、監(jiān)控器等更多領(lǐng)域中不斷擴(kuò)展，這些顯示器的分辨率也在不斷提高，從1080p到4k/超高清，甚至更高。這對在制造過程中用于監(jiān)測這些顯示器的相機(jī)提出了獨(dú)特的要求，它需要提供能夠分解顯示器中存在的附加像素和子結(jié)構(gòu)所需的細(xì)節(jié)，而無需犧牲該應(yīng)用所需的圖像質(zhì)量和均勻性。
圖1：用相機(jī)檢測平板顯示器
高分辨率成像的其它例子還包括高端監(jiān)控（以足夠放大任何一個(gè)位置的分辨率采集寬闊視域圖像）和航拍（更高的分辨率可提供額外的成像細(xì)節(jié)，或讓飛機(jī)能夠飛得更高并減少飛行次數(shù)）。但是在所有這些例子中，應(yīng)用不僅需要非常高的分辨率，而且還需要非常高的圖像質(zhì)量，可通過圖像均勻性、噪聲、動態(tài)范圍等規(guī)格來衡量。
鑒于這種綜合需求，這套應(yīng)用一直以來憑借基于Interline Transfer CCD（ITCCD）技術(shù)的圖像傳感器，即使擴(kuò)展到大的光學(xué)格式，它也能保留關(guān)鍵的成像性能參數(shù)。這一技術(shù)能夠以非常高的圖像均勻度捕獲圖像，且真正的全局快門設(shè)計(jì)能夠捕獲運(yùn)動場景，而不會引入成像偽影。此外，該技術(shù)可提供寬曝光范圍和低暗電流，能夠?qū)崿F(xiàn)從幾微秒到一秒或更長時(shí)間范圍內(nèi)的圖像曝光。
Interline Transfer CCD技術(shù)用于開發(fā)高分辨率、大格式圖像傳感器已超過15年，其分辨率隨市場需要逐漸提高。例如，2003年的KAI-11000圖像傳感器以35 mm光學(xué)格式提供1100萬像素的分辨率；但到2011年，這種相同的光學(xué)格式幾乎可支持三倍的分辨率。
圖2：35 mm光學(xué)格式下ITCCD分辨率的提升
在保留光學(xué)格式的同時(shí)提高分辨率的這種進(jìn)步，對于實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用中采用相機(jī)的簡化的現(xiàn)場升級非常重要，因?yàn)樵诓渴鸶叻直媛实南鄼C(jī)時(shí)，相機(jī)的放置位置和鏡頭都無需變動。
嚴(yán)苛要求帶來重大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
為了在保留35 mm光學(xué)格式的同時(shí)，將器件（例如KAI-29050）的分辨率從現(xiàn)有的2900萬像素繼續(xù)提升，就需要更小的像素格式，以便將更多像素放置于給定區(qū)域中。但為同時(shí)保留這一較小像素中的關(guān)鍵成像參數(shù)，如圖像均勻性、動態(tài)范圍和底噪，除了簡單地縮小尺寸外，還需要提升像素設(shè)計(jì)。
圖3：設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
隨著器件中像素的增加，除非器件的輸出帶寬能夠增加，否則總體幀速率將會降低（這可能也是某些應(yīng)用所需要的）。維持與當(dāng)前傳感器和相機(jī)的向后兼容對于幫助相機(jī)制造商和終端客戶簡化所需的升級路徑以支持并采用新器件至關(guān)重要。
35 mm光學(xué)格式高性能ITCCD傳感器
安森美半導(dǎo)體的KAI-43140圖像傳感器提供了如何滿足這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，以35 mm格式為要求嚴(yán)苛的應(yīng)用提供更高分辨率的范例。新器件采用全新的4.5 μm ITCCD像素，以35 mm光學(xué)格式提供4300萬像素，相較于廣泛應(yīng)用的2900萬像素KAI-29050，分辨率增加了50％。然而，即使采用這種較小的像素尺寸，關(guān)鍵的成像性能水平任然得以保留（包括高拖尾抑制和超過60dB的線性動態(tài)范圍），并且通過采用先進(jìn)工藝設(shè)計(jì)，消除整個(gè)類別下的均勻性偽影，圖像均勻性得到實(shí)際的提升。
更新了的輸出放大器可將4分接頭器件的帶寬增加50％，盡管分辨率提高，卻仍可提供與2900萬像素器件相同的最終幀速率。由于KAI-43140仍基于ITCCD技術(shù)，因此它保留了電子快門和廣泛曝光支持等特性，這些都是該技術(shù)的標(biāo)志性特性。
重要的是，KAI-43140采用與KAI-29050相同的封裝，讓當(dāng)前的相機(jī)設(shè)計(jì)僅需稍作電氣變更即可支持新器件。這大大降低了相機(jī)制造商的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，并使他們能夠以更低的成本更快地將具有更高分辨率和性能的相機(jī)投入市場。
總結(jié)
開發(fā)滿足高級工業(yè)應(yīng)用嚴(yán)苛要求的成像傳感器，需要的遠(yuǎn)不止簡單地將更多像素“拽”到更小的封裝中。通過采用先進(jìn)的像素設(shè)計(jì)，可以在給定光節(jié)點(diǎn)提供更高的分辨率而無需犧牲所需的性能。
圖4：安森美半導(dǎo)體的大格式ITCCD圖像傳感器
然而即使有了這些提升，重要的是要認(rèn)識到“最新”的成像器件并不一定是適用于所有應(yīng)用的“最佳”器件（即使是針對需要非常高分辨率的應(yīng)用）。不僅針對分辨率擁有不同的選擇，而且針對光靈敏度、動態(tài)范圍、幀速率、甚至價(jià)格等參數(shù)擁有不同的選擇對于確定最合適某個(gè)給定應(yīng)用的圖像傳感器（和成像技術(shù)）是至關(guān)重要的。這凸顯了擁有廣泛器件產(chǎn)品陣容的重要性（即使是專注于一組特定的應(yīng)用，如需要非常高的分辨率），并強(qiáng)調(diào)了使用Interline Transfer CCD等技術(shù)持續(xù)開發(fā)全新產(chǎn)品的需求。
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