用于高性能工业成像的图像传感器

寂静回声

工业成像是一个不断增长的市场，涵盖了从检测和机器人导引到高端监控、智能交通系统、科学研究等领域的应用。虽然工作于这些应用的客户都认可他们需要一个“高性能”的成像系统，但是这些不同应用的不同需求意味着特定的成像要求根据应用的不同而有很大的不同。
有时候，“高性能”可能意味着获取高帧率的高分辨率图像–捕获每秒50帧、或100帧、或200帧以上的几百万像素。但其他时候，不同的性能特征可能更重要，如摄像机的物理小占位、增强的光敏感度（是否可见或近红外）、色彩保真度、或可定制性。由于应用领域的广度，没有单一的成像方案可以有效地满足所有这些需求，需要摄像机厂商提供一系列不同的摄像机，各有不同的分辨率、帧速率、光灵敏度、输出接口等，以更高效的服务于这个市场。为了有竞争力，需要以性价比的方式开发这阵容，支持尽可能快速有效地设计、制造和支持多个摄像机模型。

图像传感器制造商可以通过开发一系列整合的高性能的图像传感器简化这类摄像机组合的开发，这些图像传感器跨越一系列分辨率和配置选项，基于一个共同的图像传感器架构。通过设计这样一个平台，摄像机制造商可以很容易地充分利用单个摄像机设计来支持整个系列的图像传感器。
从安森美半导体的全局快门CMOS图像传感器PYTHON系列中可找到这类图像传感器平台设计的一个例子。由于该系列的VGA、50万像素和130万像素成员都享有具有相同引脚定义和电气连接的相同封装，可以很容易地设计单个摄像机以支持所有这三款器件。同样的，一个设计可以同时支持该系列的200万和500万像素成员。但实际上，这两个板布局可以合并为一个，因为可用一个支持这两款器件使用的LCC封装套。这支持使用单板布局的从VGA到500万像素的器件。当增添第二种板设计用于μPGA高分辨率器件时，该系列的9种分辨率–对应于黑白、彩色和增强的近红外(NIR)配置的36种不同的可扩展的摄像机–可以只使用两块PCB。这种设计的共同性大大简化了摄像机制造商开发广泛的工业成像应用所需的摄像机选项所需的工作，降低成本，加快新的摄像机设计上市进程。

当然，即使有这种互兼容性，器件的实际成像性能必须满足目标应用的需求。在这里，需要最新的CMOS设计和制造技术使全局快门成像能用于捕获运动物体而不产生运动伪影，同时还提供即使在照明条件减弱时也保留最终图像完整性所需的高灵敏度和低噪声。理想情况下，图像捕获将跨越不同波长的广泛范围，包括针对长波长光（如850纳米或更远）探测的应用提供增强的近红外灵敏度的设计。
数据带宽也可以是一个关键的性能参数，因为终端用户不仅要为应用优化帧速率，而且还要最大限度地利用已建立的摄像机接口。如1 0 吉比特以太网接口、USB 3.1和CoaXPress现被广泛采用，和符合或超过这些接口相关联的带宽的图像传感器平台为摄像机制造商和终端用户提供成像系统部署方面更多的灵活性。
PYTHON器件为这类图像传感器设计提供了一个很好的例子，该系列最高分辨率的成员具有32个独立的高速低压差分信号(LVDS)输出通道。从而实现每秒20吉比特的数据吞吐量–高于接口如USB 3.1或10吉比特以太网可提供的有效带宽。此外，视乎需要，可以通过仅读出成像阵列的一部分（感兴趣区域或ROI）来增加该系列器件可提供的实际帧速率。这些器件支持多达32个独立的ROI，帧到帧可配置，简化当物体或人在摄像机全视场移动时监视或跟踪他们所需的工作。例如，这意味着，视乎需要，PYTHON 25k可以以超过400 fps读出一个1080p分辨率的窗口，这是提供相同的1080p分辨率的PYTHON 2000帧速率的两倍。
要真正最大限度地提高图像传感器系列平台的设计能力，需要提供多个产品配置–如PYTHON 系列中65种不同的可订购的器件–令摄像机厂商能选择给定的应用所需的合适的分辨率、色彩配置、功率要求、输出速度和封装配置。然后，需要提供各种不同的支持选项，不仅有助于器件评估，而且在进行新的设计时还可以作为参考。在开始一个新的设计前，详细的数据表提供关于器件性能的信息，评估套件能现场评估图像传感器的完整性能。然后，一旦设计开始，这些相同的文档和工具可以作为参考，以帮助调试和优化-帮助确保新的摄像机设计提供尽可能最佳的性能。
随着在工业成像应用的商机可能激增，使用一个平台的设计–不仅对于摄像机的设计和制造，还有它们使用的图像传感器–作为一种提供在这些应用中所需的各种各样成像选项的方法变得更加重要。通过充分利用具有多种配置和分辨率的全系列图像传感器实现摄像机的开发，摄像机制造商可以简化开发、设计所需的工作，并支持全系列摄像机，提供其客户需要的关键的成像性能。