工業成像(Industrial Imaging)是一個不斷成長的市場,涵蓋從檢測、機器人導引、高階監控、智慧交通系統以及科學研究等應用領域。雖然這些應用的客戶都認可他們需要一個「高性能」的成像系統,但是不同應用代表的不同需求意味著,特定成像會根據應用不同而有很大的差別。

有時候,「高性能」可能意味著獲取高畫面更新率(frame rate)的高解析度影像—擷取每秒50格、100格或200格畫面以上的幾百萬畫素。但有時候不同的性能特徵可能更重要,像是小體積攝影機、增強的光敏感度(是否可見或近紅外線)、色彩保真度、客製化等等。由於應用領域的廣度,沒有單一成像方案可以有效滿足所有需求,攝影機廠商需要提供一系列不同的攝影機,有不同的解析度、畫面播放速率、光靈敏度、輸出介面等,為這個市場提供更高效的服務。考量到競爭力,必須是具成本效益的開發,支援快速有效的設計與製造,並能使用於多個攝影機模型。

影像感測器製造商可以開發一系列整合高性能影像感測器來簡化這類攝影機組合的開發,這些影像感測器奠基於一個共同的影像感測器架構,有一系列的解析度和配置選項。利用這樣一個平台,攝影機製造商可以充份利用單個攝影機設計來支援整個系列的影像感測器。

從安森美半導體(ON Semiconductor)的全域快門CMOS影像感測器PYTHON系列中可找到這類影像感測器平台設計例子。由於該系列的VGA、50萬畫素和130萬畫素成員都具有相同接腳定義和電氣連接的相同封裝,能輕鬆設計單個攝影機,支援所有三款元件。同樣的,一個設計可以同時支援該系列的200萬和500萬畫素系列產品。但實際上,因為可以用支援這兩款元件的LCC封裝套,兩個板的佈署可合而為一。這支援了使用單板佈局,從VGA到500萬畫素的元件。

20171017_Onsemi_NT41P1 PYTHON全域快門CMOS影像感測器

為μPGA高解析度元件增添第二種板設計時,該系列的9種解析度—對應於黑白、彩色和增強的近紅外線(NIR)配置的36種可擴展攝影機—可以只使用兩塊印刷電路板。這種設計的共同性大量簡化攝影機製造商開發廣泛工業成像應用攝影機選項的工作,降低成本,加快新的攝影機設計上市進程。

當然,即使有互相容性,元件的實際成像性能必須滿足目標應用需求。最新的CMOS設計和製造技術要能讓全域快門成像可以擷取移動物體而不產生移動假影,同時在減弱照明條件下也保留最終影像完整性所需的高靈敏度和低雜訊。理想情況下,影像擷取將跨越不同波長的廣泛範圍,包括針對長波長光(如850奈米或更遠)探測應用提供增強的近紅外線靈敏度設計。

資料頻寬也是關鍵性能參數,因為終端使用者不僅要為應用最佳化畫面播放速率,而且還得盡量利用已建立的攝影機介面。例如10Gig乙太網路介面、USB 3.1、CoaXPress現已獲廣泛採用,符合或超過這些介面頻寬的影像感測器平台,提供了攝影機製造商和終端使用者成像系統部署的進一步靈活性。

PYTHON元件為這類影像感測器設計示範了一個很好例子,該系列最高解析度的成員具有32個獨立高速低壓差分訊號(LVDS)輸出通道。實現每秒20 gigabits的資料輸送量—高於USB 3.1或10 Gig乙太網路等介面的有效頻寬。此外視乎需要,可以只靠讀出成像陣列的一部份(感興趣區域或ROI)來增加該系列元件的實際畫面播放速率。這些元件支援多達32個獨立ROI,畫面到畫面可配置,在人或物體的移動橫跨相機全視野時,能簡化監視或追蹤的工作。視乎需要,PYTHON 25k能以超過400fps的速率讀取一個1,080p解析度的視窗,這是具備相同1,080p解析度的PYTHON 2000畫面播放速率的兩倍。

20171017_Onsemi_NT41P2 PYTHON元件的頻寬

要真正明顯提高影像感測器系列平台的設計能力,需要多個產品配置—如PYTHON系列65種不同的可訂購元件—攝影機廠商能據此選擇目標應用的解析度、色彩配置、功率要求、輸出速度、封裝配置。然後,需要具備多元的支援選項,有助於元件評估,而且在進行新設計時還可以作為參考。開始新設計之前,詳細的資料表有元件性能的資訊,評估套件能現場評估影像感測器的完整性能。一旦設計開始,這些相同的文檔和工具可作參考,幫助除錯和最佳化,確保新的攝影機設計具備最佳性能。

隨著工業成像應用商機可能激增,使用一個平台的設計——攝影機設計和製造,還有內含的影像感測器——提供應用所需多元成像選項,變得更加重要。透過充份利用具多種配置和解析度的全系列影像感測器,攝影機製造商可以簡化開發、設計,支援全系列攝影機,供應客戶所需的關鍵成像性能。