性能絕不妥協 全新微型Topaz感測器問世

作者 : G Powell,Teledyne e2v資深市場經理

Topaz是Teledyne e2v產品系列的最新成員。這些感測器設有150萬畫素和200萬畫素兩種解析度,採用了最先進的低雜訊、僅2.5 × 2.5µm全域快門畫素技術。

Topaz是Teledyne e2v產品系列的最新成員,是工業CMOS影像感測器的一大重要進步。這些感測器設有150萬畫素和200萬畫素兩種解析度,採用了最先進的低雜訊、僅2.5 × 2.5μm全域快門畫素技術。它們提供的光電性能是幾年前兩倍於其尺寸的畫素所難以達到,並透過1.2GHz的2通道MIPI CSI-2與CPU、ISP、DSP晶片組無縫連接,對於150萬畫素版本,在8位元時可達130張/秒。

 

Teledyne e2v產品系列最新成員Topaz尺寸精巧。

 

這些全新的1,920 × 1,080和1,920 × 800畫素格式提供了功能強大的解決方案,並為許多應用提供了小型化設計。裝在4.45mm寬的晶片尺寸封裝(CSP)中,光學陣列與封裝的機械中心相匹配,從而設計出超薄的相機和模組。Topaz 150萬畫素感測器具有獨特的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。現代製造業和物流配送中心需要透過提高輸送帶速度來提高生產力水準,然而,這受限於傳統自動檢測和掃描相機系統,這些系統在上述應用中使用較為傳統的4:3或方形格式的機器視覺感測器,它們存在許多冗餘垂直畫素的嚴重缺點,而且影格率較低。

Topaz新型感測器的尺寸較小(4.45mm × 7.65mm),使其尤其適用於微型OEM條碼引擎設計、行動終端、物聯網、非接觸式認證系統、可穿戴裝置、無人機和機器人。

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曝光時間,以避免獲取的影像出現模糊。短的曝光時間意味著積累的光子更少,然後需要訊號增益來產生適當的灰度值和對比度,還有一些進一步減少可用光子(甚至在它們到達影像感測器之前)的額外光學因素。值得注意的是,需要高F值的鏡頭以確保在所需的工作範圍或距離上捕獲一個充分聚焦的影像。更高的F值意味著更小的光圈,從而再次減少了感測器上的可用光線,如前所述,增加曝光時間並不是一個選項。那麼感測器的暗態訊雜比特性將是一個關鍵參數,如果這個參數不佳,唯一的補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,以及更為嚴格的熱管理設計,以限制感測器暗訊號雜訊的增加,通常溫度每增加6~8度,暗訊號雜訊就會增加一倍。

為了應對這些弱光挑戰,較小的2.5μm全域快門畫素具有「畫素內」相關雙採樣(CDS),以實現通常為3個電子的總讀出雜訊。同時,先進的雙導光板與零隙微透鏡最大限度地提高進入畫素感光區的光線耦合度,以實現暗態下的良好訊雜比。導光板和微透鏡還能實現一個較寬的角度響應,更接近於背面照明的畫素,儘管Topaz採用FSI技術。這些「畫素內」光學元件也減少了畫素與畫素之間的串擾,從而提供清晰影像。

針對影像品質的進一步討論需要重點關注暗態訊號及其對固定模式雜訊(FPN)的影響,尤其是在高環境溫度下。即使利用了補償技術,高暗訊號不均勻性(DSNU)往往會導致影像中出現更多可見的VFPN/HFPN。Topaz感測器具備的兩個特性確保高溫下影像品質的優越性,首先,使用的半導體製程節點對暗訊號進行了充分最佳化,在25℃環境下通常只有3.5e-,在60℃只達到65e-;其次,垂直和水平的FPN透過晶片上的內部處理得以減少,即使在高溫下也能提供可利用的影像。

Topaz應用優勢

手持/固定和行動條碼讀取器、OEM掃描引擎、自動辨識

目前用於大多數條碼讀取器的CMOS感測器約為100萬畫素,各設備製造商正在進行價格競爭,利潤率受到侵蝕。Topaz這一新品屬於升級版,由於其更高的解析度和獨特的寬幅,可以實現更長或更寬的掃描範圍。這對需要較大面積/視角(Field of View)的零售和物流掃描領域非常實用。相比於現有的解決方案,最終用戶受益於速度更快的傳送帶和更大的吞吐量。

 

Topaz可讓數條碼讀取器具備更長或更寬的掃描範圍。

 

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

出色的性價比以符合大量使用的需求。憑藉微小的晶片面積,它們得以成為全球最小的OEM掃描引擎和最薄的行動平台的理想選擇。在200萬畫素全解析度和最大影格率下,工作功耗僅為200mW,確保了手持和行動應用中更長的蓄電池連續使用時間。具有精細類比增益控制的低暗態訊雜比性能,透過將LED功率預算降到最低,在系統層面節約成本。

Topaz的嵌入式功能還能實現最快的條碼讀取優勢。快速喚醒模式使用專有的上電複位方法,確保在省電方案中通電後,第一張影像可以在10ms內解碼。憑藉影像與影像之間的即時控制暫存器使得下一影格能快速更新,感測器得以快速重新配置,從而減少浪費的影像數據。

為未來而建

用於零售業銷售點(POS)的固定式條碼掃描儀除條碼讀取外還趨向於物體辨識,因此水果、蔬菜和不易讀取的標籤可以不受任何干預地通過自助收銀台,改善顧客的購物體驗。RGB形式的Topaz可以增強物體辨識能力,並為傳統的條碼讀取保持足夠的空間解析度。

機器視覺、機器人技術和嵌入式成像應用

憑藉高效全域快門(在660nm時1/PLS通常高於4,000),Topaz得以成為通用機器視覺應用的高測器,例如工廠自動化、自動檢測等。這些應用往往傾於方形陣列,為了實現這一點,Topaz可以在水平方向上進行裁剪或2 × 2畫素合併,因此單一相機設計就能滿足所有要求,設有全面觸發輸入和輸出(包括一個切換現場暫存器的硬件觸發輸入)。

 

憑藉高效全域快門,Topaz得以成為通用機器視覺應用的高效感測器。

 

機器人設備用於揀選和放置或將貨物從一個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,同時也在工廠生產線內進行導航。如前所述,Topaz專為這項工作打造。出於安全和避免碰撞,不時還需用到3D,由於設備體積較小,小型立體3D相機系統易於設計。還有多個I²C地址(x4),因此最多4個獨立的感測器可以佔據同一控制總線。

隨著部署人工智慧和機器學習,嵌入式視覺系統的普及已經顯著增加。Topaz可以成為這些系統的關鍵,透過簡單的單線或雙線MIPI CSI-2接口,與通用的ISP處理器平台無縫連接。Teledyne e2v推出了協助開發人員完成特定任務的基本Linux驅動程序,計劃明年推出基於Topaz感測器的光學模組,進一步簡化嵌入式電腦視覺系統的整合工作。

無人機、可穿戴相機和物聯網邊緣成像

基於Topaz的較小尺寸、重量和低功率,它還可應用於無人機或遠距物聯網相機等。全高畫質影像格式與16:9顯示器的兼容性使該設備自然適合於遠距視覺檢查或監視應用,內部溫度感測甚至可以提供額外的環境訊息和/或進行校正溫度相關殘影。

醫學成像

基於較小體積,牙醫產業可以受益於基於Topaz的口內2D或3D相機。同樣,也可實現用於牙科匹配應用的彩色相機。

一個日益受到人們關注的領域是醫療定點照護掃描產品。透過這些多功能手持式終端,病人能夠在家利用視訊通話與醫生進行遠距醫療檢查。隨著隔離和家庭護理的需要,新冠疫情顯著推動了這一市場。相機是這些終端的組成部分,需要執行廣泛功能,例如能夠放大區域和監測術後傷痕組織的進展情況;其他生物辨識和計量任務也需使用同一台相機,Topaz就是一個理想的解決方案。

Topaz主要性能參數和特點總結

  • 2.5 × 2.5μm全域快門畫素;
  • 解析度(畫素) 1,920 (H) × 1,080 (V),以及1,920 (H) × 800 (V);
  • 黑白或彩色,設有微型透鏡;
  • 1/3.2英吋光學元件與對角線CRA 14°或21° (200萬畫素)或13.2°或20° (150萬畫素)兼容;
  • 最大影格影格:150萬畫素版本為130影格率 @ 8位元、80影格率 @ 10位元;
  • 最大影格率:200萬畫素版本為100影格率 @ 8位元、65影格率 @ 10位元;
  • 總讀出雜訊3.3e-;
  • 暗訊號3.5e- @25℃;
  • 最大訊雜比38dB;
  • MTF @ Nyquist,在550 nm時高於60%;
  • 飽和容量通常為6,000 e-;
  • QE @ 550nm時高於55%;
  • CSP封裝尺寸4.45mm (V) × 7.65mm (H)。

實用片上嵌入式功能的摘要

  • 2個感興趣區域模式(SIMR和MIMR);
  • 影像附註中的影像統計和直方圖;
  • 全面I/O觸發功能;
  • 最多16倍的類比增益;
  • 快速喚醒,少於10ms內即可獲得第一幅優質影像;
  • 基於影格與影格之間的現場控制暫存器,由系統/軟體或硬體觸發;
  • 暗偏移和VFPN/HFPN校正;
  • 內建電壓調節器/轉換器;
  • 最多1/64的次採樣。

Topaz 視訊

現可提供樣品和評估套件。欲知更多訊息,請聯繫:chili.hsieh@Teledyne.com。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年12月號

 

 

 

 

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