【導讀】在工業應用中，包括工廠、交通系統、科學/醫療、零售、監控和機器人，圖像傳感器的使用正在顯著增長，因為各公司尋求在其流程中引入更強大的控制，以提高質量和控制成本。
在工廠里，圖像傳感器為機器人提供視覺，正在改善過程中和生產線末端的檢查，及改善工人的安全。在科學和醫療領域，圖像傳感器是數字放射顯影和分布式診斷的一個基本要素，用于X射線晶體學、DNA剖析、天文攝影等等。
在我們現代生活的許多方面，安全是個長期關注的問題。 具有更高分辨率和圖像質量的圖像傳感器正用于無人機/UAV 以實現邊境安全。 隨著圖像傳感器被用于監控十字路口和檢測道路交通違規行為，以及通過自動車牌識別 (ANPR) 識別車輛，我們的道路變得越來越安全。
圖1：圖像傳感器廣泛用于各種工業應用
隨著用戶需求的增加，這些圖像傳感器的功率和質量也在迅速提高，以增強現有應用的性能并賦能這些設備新的應用。
關鍵的技術推動因素
圖像傳感的許多技術進步正在推動這些性能的提高。 背照式 (BSI) 通過翻轉硅晶片、移動布線前的光電陰極層來重新排列傳感器的關鍵成像元件，從而顯著提高對圖像傳感器至關重要的微光性能。
定義視頻源質量的一個關鍵參數是傳感器可提供的每秒幀數 (fps)。 將此與提高的分辨率結合意味著每幀中包含更多像素數據，這需要顯著提高傳感器架構的速度，以提供無“抖動”的流暢視頻輸入。
許多現代相機已經摒棄了機械快門，因為它們可能大而重，而且在長期使用后容易發生故障。現代相機越來越多地使用電子快門，所有的像素都被同時捕獲，這種技術被稱為 “全局快門”。
由于傳感器越來越多地被用于含運動因素的應用中（要么傳感器在移動的車輛上，要么要拍攝的場景包含移動的物品），因此需要采用快速全局快門的現代傳感器來避免與 “卷簾快門”技術相關的圖像 “拖尾”和其他不良的偽影。
工業視覺系統設計人員面臨的挑戰
在為現代應用設計相機時，需要考慮許多因素，其中許多與圖像傳感器的選擇有關——這是決定設計成敗的關鍵決定。
幾乎所有的應用都需要高分辨率的圖像傳感器，比如在醫療應用中，相機要檢測疾病的早期跡象，或在工廠檢查應用中，必須發現最小的缺陷。然而，隨著分辨率的提高，設計的其他部分也會受到影響，需要更大的數據傳輸帶寬、更高的處理能力和更大的存儲容量。
因此，指定的傳感器必須足以完成任務，但不能過度指定，因為這將使設計的幾乎所有方面的成本增加。
隨著圖像傳感器被無人機/UAV和自動導引車 (AGV) 等總是由電池供電的移動應用采用，攝像頭方案（包括圖像傳感器）的功耗現在是個重要的考慮因素。 雖然圖像傳感器是個重要的功能，但它消耗的電流會耗盡電池電量，縮短車輛在兩次充電之間的間隔時間。
在許多情況下，攝像機執行多種任務，需要不同的分辨率，如低分辨率的攝像機用于簡單的檢測，而高分辨率的攝像機則用于需要檢測細節的地方。
然而，由于需要使用不同的傳感器實現不同的分辨率，在許多情況下，每個傳感器都需要不同的設計，因而大大增加了設計任務（和時間）。即使設計完成了，由于每一個都是不同的，那么利用規模經濟的能力就會大大減弱。
許多公司首次采用圖像傳感器來為其產品增加有價值的功能，學習曲線可能非常陡峭。一些制造商提供全面的工具，以減少設計風險并指導設計人員完成設計過程。
在許多情況下，這些工具對經驗豐富的設計人員也很有價值，他們需要在更快的時間范圍內進行概念驗證，然后無縫開發批量生產版本。
家族式系列方案輔以設計支援
安森美（onsemi）的XGS圖像傳感器系列采用家族式系列方案，共7款器件，分辨率從230萬像素到1600萬像素，采用與行業標準的29 mm x 29 mm布板兼容的通用占位。同樣，涵蓋2000萬像素到4500萬像素范圍的4款器件也享有通用的占位。
這種方法給設計人員帶來的巨大好處是他們可把已知性能的單一的相機硬件設計用于每個分辨率，且IP如固件可在整個系列的相機中重復使用。這極大地減少了設計時間和風險，并允許在制造中實現規模經濟。
圖2：XGS系列提供卓越的性能和極大的設計支援
在每個圖像傳感器中，即使是在微光條件下，先進的3.2 mm像素設計也提供出色的圖像質量和低噪聲水平。快速的全局快門能捕獲高質量的圖像，而不會出現卷簾快門技術相關的偽影。有各種速度等級可供選擇，有效地利用了可用的接口帶寬，從而使設計人員能夠管理系統成本。盡管性能很高，但分辨率高達4500萬像素的XGS器件即使在全速運行時，其功耗也低于1000 mW。
圖3：XGS系列CMOS圖像傳感器，分辨率高達4500萬像素
● 為了進一步支持設計工作，有三種不同的評估系統可供選擇。
● 演示套件包括一個帶有 DevSuite 軟件的硬件平臺，支持完整的傳感器評估和訪問所有寄存器。
● X-celerator 平臺包括公共 FPGA 代碼，并直接與 Altera® 軟件和賽靈思(Xilinx®) 開發環境接口。
● X-Cube 平臺是完整的參考設計，用于 29 mm x 29 mm 格式，它使用 Lattice FPGA 進行 HiSPi-to-MIPI 轉換。X-Cube 還使用 DevSuite 軟件進行圖像捕獲、處理和分析。
總結
圖像傳感在包括工業在內的許多應用領域迅速增長，因為它使系統能識別周圍的世界并與之交互。 因此，為了提供最先進的解決方案，許多公司現在首次提供視覺功能。 這會給設計人員帶來非常陡峭的學習曲線，尤其是當每個傳感器分辨率都需要專門的設計時。
安森美的低功耗、低噪聲 XGS 系列高性能圖像傳感器，具有通用的占位面積，并提供多個易于使用的開發平臺，全面支援設計人員快速實現最先進的相機設計。
作者：安森美工業和商業方案分部產品線經理 Danny Scheffer
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