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CCD影像感测器为日益关键
终端应用要求渐趋严苛

【作者: Michael DeLuca】2019年01月02日 星期三

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尽管基於CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)技术的影像感测器在许多应用中已获得广泛应用,但一些要求严苛的工业成像应用仍需要CCD(Charge Coupled Device)影像感测器独有的性能。


举例来说,重要的平板显示器生产线终端检验仍主要采用CCD的相机来执行,因为它们能提供高解析度与出色的影像均匀性,这是目前CMOS影像感测器技术所无法提供。


此类型的检验通常由运用安森美半导体2900万像素(Mega Pixels;Mp),35 mm光学格式的KAI-29050影像感测器等元件的相机来进行。


然而,平板显示器解析度越来越高,检验相机的解析度亦需要随之提升。为满足此类需求并保留标准的35 mm光学格式,需要既能缩小像素尺寸,同时保留应用所需的关键性能和影像均匀性的全新像素设计。


对高性能、高解析度成像的需求

如今,成像推动工业应用的生产效益,从交通监视器、车牌识别,到条码扫描、机器人引导、机器视觉等等。尽管每种应用都有其独特的需求,有些需要高影格率(high frame rate),另一些则需要宽动态范围、光线灵敏度或不同的关键叁数,而另一些应用主要需要最高级别的影像细节,要求开发具备非常高解析度的影像感测器。


有一个很好的例子是平板显示器的生产线终端检验,这个流程确认每个显示像素中红、绿和蓝三个子元素都能正常显示运作。随着显示器的应用在行动装置、平板电脑、电视、车辆、监视器等更多领域中不断扩展,显示器的解析度亦不断提高,从1080p到4k/超高清,甚至更高。这对在制造过程中用於监测显示器的相机提出独特的要求,需要提供能够分析显示器中附加像素和子结构所需的细节,而无需牺牲应用所需的影像品质和均匀性。



图1 : 用相机检测平板显示器
图1 : 用相机检测平板显示器

高解析度成像的其他例子,还包含高端监控(以足够放大任何一个位置的解析度捕捉广阔的视域影像)及航空摄影(aerial photography)(更高的解析度能提供额外的成像细节,让飞机能够飞得更高并减少飞行次数)。但是在所有例子中,应用不仅需要非常高的解析度,而且还需要非常高的影像品质,能透过影像均匀性、杂讯、动态范围等规格来衡量。


综合以上需求,这套应用一直以来凭藉基於Interline Transfer CCD(ITCCD)技术的影像感测器,即使放大到大的光学格式,亦能保留关键的成像性能叁数。此技术能够以非常高的影像均匀性捕捉成像,且真正的全局快门设计(Global Shutter design)能够捕捉动态场景,不会产生成像伪影。此外,该技术能提供大曝光范围与低暗电流,能够实现从几微秒到一秒或更长时间范围内的影像曝光。


Interline Transfer CCD技术用於开发高解析度、大格式影像感测器已超过15年,其解析度随市场需求逐渐提高。例如,2003年KAI-11000影像感测器以35 mm光学格式提供1100万像素的解析度;但至2011年,此相同的光学格式几??能支援三倍的解析度。



图2 : 35 mm光学格式下ITCCD解析度的提升
图2 : 35 mm光学格式下ITCCD解析度的提升

在保留光学格式的同时能够提高解析度的进步,才能使应用中的相机能够简化现场升级(field upgrade),因为在部署更高解析度的相机时,相机放置的位置与镜头都无需变动。


严苛要求带来重大设计挑战

保留35 mm光学格式的同时,将元件(例如KAI-29050)的解析度从现有的2900万像素继续提升,就需要更小的像素格式,以便将更多像素放置於特定区域中。但为同时保留较小像素中的关键成像叁数,如影像均匀性、动态范围与背景噪音(noise floor),除简单地缩小尺寸外,还需提升像素设计。



图3 : 设计挑战
图3 : 设计挑战

随着元件像素的增加,除非元件的输出频宽能够增加,否则整体影格率将会降低(这可能是某些应用所需的)。维持与当前感测器和相机的反向相容,对於实现相机制造商与终端客户简化所需的升级路线以支援新设备至关重要。


35 mm光学格式高性能ITCCD感测器

安森美半导体KAI-43140影像感测器提供满足这些设计挑战的方式,以35 mm格式为要求严苛的应用提供更高解析度为例。新元件采用全新的4.5 μm ITCCD像素,以35 mm光学格式提供4300万像素,相较於广泛应用的2900万像素KAI-29050,解析度增加50%。然而,即使采用此种较小的像素尺寸,关键的成像性能水准仍能保留,(包含高漏光抑制和超过60dB的线性动态范围),且透过先进工艺设计,消除整个类别下的均匀性伪影,影像均匀性得到实际的提升。


更新的输出放大器可将4-tap接头元件的频宽增加50%,尽管解析度提高,仍能提供与2900万像素设备相同的最终影格率。由於KAI-43140源於ITCCD技术,因此保留电子快门(electronic shutter)和大范围曝光等特性,皆是该技术的特点。


重要的是,KAI-43140采用与KAI-29050相同的封装,让目前相机设计仅需稍作电气变更即能支援新元件。大幅降低相机制造商的设计风险,并使他们能够以更低成本更快地将具备更高解析度与性能的相机投入市场。


结论

开发满足高级工业应用严苛要求的影像感测器,需要的远不止简单地将更多像素「拖曳」到更小的封装中。透过先进的像素设计,能在特定光纤节点提供更高的解析度而无需牺牲所需的性能。



图4 : 安森美半导体的大格式ITCCD影像感测器
图4 : 安森美半导体的大格式ITCCD影像感测器

然而,即使有这些提升,重要的是了解「最新」的成像元件并不一定适用於所有的「最隹」元件(即使是针对超高解析度需求的应用)。不仅针对解析度能拥有不同的选择,针对光线灵敏度、动态范围、影格率、甚至价格等叁数皆拥有不同的选择,对於选定最适合某个特定应用的影像感测器(和成像技术)相当重要。此凸显拥有广泛产品组合元件的重要性(即使专注於一组特定应用,例如需要非常高的解析度),并强调使用Interline Transfer CCD等技术持续开发全新产品的需求。


(本文作者Michael DeLuca为安森美半导体影像感测器事业部工业解决方案部门产品行销经理)


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