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終端應用要求漸趨嚴苛 CCD影像感測器為日益關鍵
 

【作者: Michael DeLuca】   2019年01月02日 星期三

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儘管基於CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)技術的影像感測器在許多應用中已獲得廣泛應用,但一些要求嚴苛的工業成像應用仍需要CCD(Charge Coupled Device)影像感測器獨有的性能。


舉例來說,重要的平板顯示器生產線終端檢驗仍主要採用CCD的相機來執行,因為它們能提供高解析度與出色的影像均勻性,這是目前CMOS影像感測器技術所無法提供。


此類型的檢驗通常由運用安森美半導體2900萬像素(Mega Pixels;Mp),35 mm光學格式的KAI-29050影像感測器等元件的相機來進行。


然而,平板顯示器解析度越來越高,檢驗相機的解析度亦需要隨之提升。為滿足此類需求並保留標準的35 mm光學格式,需要既能縮小像素尺寸,同時保留應用所需的關鍵性能和影像均勻性的全新像素設計。


對高性能、高解析度成像的需求

如今,成像推動工業應用的生產效益,從交通監視器、車牌識別,到條碼掃描、機器人引導、機器視覺等等。儘管每種應用都有其獨特的需求,有些需要高影格率(high frame rate),另一些則需要寬動態範圍、光線靈敏度或不同的關鍵參數,而另一些應用主要需要最高級別的影像細節,要求開發具備非常高解析度的影像感測器。


有一個很好的例子是平板顯示器的生產線終端檢驗,這個流程確認每個顯示像素中紅、綠和藍三個子元素都能正常顯示運作。隨著顯示器的應用在行動裝置、平板電腦、電視、車輛、監視器等更多領域中不斷擴展,顯示器的解析度亦不斷提高,從1080p到4k∕超高清,甚至更高。這對在製造過程中用於監測顯示器的相機提出獨特的要求,需要提供能夠分析顯示器中附加像素和子結構所需的細節,而無需犧牲應用所需的影像品質和均勻性。



圖1 : 用相機檢測平板顯示器
圖1 : 用相機檢測平板顯示器

高解析度成像的其他例子,還包含高端監控(以足夠放大任何一個位置的解析度捕捉廣闊的視域影像)及航空攝影(aerial photography)(更高的解析度能提供額外的成像細節,讓飛機能夠飛得更高並減少飛行次數)。但是在所有例子中,應用不僅需要非常高的解析度,而且還需要非常高的影像品質,能透過影像均勻性、雜訊、動態範圍等規格來衡量。


綜合以上需求,這套應用一直以來憑藉基於Interline Transfer CCD(ITCCD)技術的影像感測器,即使放大到大的光學格式,亦能保留關鍵的成像性能參數。此技術能夠以非常高的影像均勻性捕捉成像,且真正的全局快門設計(Global Shutter design)能夠捕捉動態場景,不會產生成像偽影。此外,該技術能提供大曝光範圍與低暗電流,能夠實現從幾微秒到一秒或更長時間範圍內的影像曝光。


Interline Transfer CCD技術用於開發高解析度、大格式影像感測器已超過15年,其解析度隨市場需求逐漸提高。例如,2003年KAI-11000影像感測器以35 mm光學格式提供1100萬像素的解析度;但至2011年,此相同的光學格式幾乎能支援三倍的解析度。



圖2 : 35 mm光學格式下ITCCD解析度的提升
圖2 : 35 mm光學格式下ITCCD解析度的提升

在保留光學格式的同時能夠提高解析度的進步,才能使應用中的相機能夠簡化現場升級(field upgrade),因為在部署更高解析度的相機時,相機放置的位置與鏡頭都無需變動。


嚴苛要求帶來重大設計挑戰

保留35 mm光學格式的同時,將元件(例如KAI-29050)的解析度從現有的2900萬像素繼續提升,就需要更小的像素格式,以便將更多像素放置於特定區域中。但為同時保留較小像素中的關鍵成像參數,如影像均勻性、動態範圍與背景噪音(noise floor),除簡單地縮小尺寸外,還需提升像素設計。



圖3 : 設計挑戰
圖3 : 設計挑戰

隨著元件像素的增加,除非元件的輸出頻寬能夠增加,否則整體影格率將會降低(這可能是某些應用所需的)。維持與當前感測器和相機的反向相容,對於實現相機製造商與終端客戶簡化所需的升級路線以支援新設備至關重要。


35 mm光學格式高性能ITCCD感測器

安森美半導體KAI-43140影像感測器提供滿足這些設計挑戰的方式,以35 mm格式為要求嚴苛的應用提供更高解析度為例。新元件採用全新的4.5 μm ITCCD像素,以35 mm光學格式提供4300萬像素,相較於廣泛應用的2900萬像素KAI-29050,解析度增加50%。然而,即使採用此種較小的像素尺寸,關鍵的成像性能水準仍能保留,(包含高漏光抑制和超過60dB的線性動態範圍),且透過先進工藝設計,消除整個類別下的均勻性偽影,影像均勻性得到實際的提升。


更新的輸出放大器可將4-tap接頭元件的頻寬增加50%,儘管解析度提高,仍能提供與2900萬像素設備相同的最終影格率。由於KAI-43140源於ITCCD技術,因此保留電子快門(electronic shutter)和大範圍曝光等特性,皆是該技術的特點。


重要的是,KAI-43140採用與KAI-29050相同的封裝,讓目前相機設計僅需稍作電氣變更即能支援新元件。大幅降低相機製造商的設計風險,並使他們能夠以更低成本更快地將具備更高解析度與性能的相機投入市場。


結論

開發滿足高級工業應用嚴苛要求的影像感測器,需要的遠不止簡單地將更多像素「拖曳」到更小的封裝中。透過先進的像素設計,能在特定光纖節點提供更高的解析度而無需犧牲所需的性能。



圖4 : 安森美半導體的大格式ITCCD影像感測器
圖4 : 安森美半導體的大格式ITCCD影像感測器

然而,即使有這些提升,重要的是了解「最新」的成像元件並不一定適用於所有的「最佳」元件(即使是針對超高解析度需求的應用)。不僅針對解析度能擁有不同的選擇,針對光線靈敏度、動態範圍、影格率、甚至價格等參數皆擁有不同的選擇,對於選定最適合某個特定應用的影像感測器(和成像技術)相當重要。此凸顯擁有廣泛產品組合元件的重要性(即使專注於一組特定應用,例如需要非常高的解析度),並強調使用Interline Transfer CCD等技術持續開發全新產品的需求。


(本文作者Michael DeLuca為安森美半導體影像感測器事業部工業解決方案部門產品行銷經理)


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