先進的工業CMOS圖像傳感器，專為掃描應用而生
http://www.debgrams.com 2022-11-21 10:52 來源：Teledyne e2v
新型CMOS圖像傳感器采用最先進的低噪聲全局快門像素技術，實現數年前兩倍大小的像素才能達到的光電性能。
現代制造和物流配送中心需要通過提高輸送速度、擴大視野和工作范圍來提高生產力水平。然而，這會受到使用更傳統的4:3或正方形機器視覺CMOS圖像傳感器（具有冗余垂直像素多和幀率較低等嚴重缺點）的常規自動檢測和掃描相機的制約。
新型CMOS圖像傳感器在市場上興起，專門為掃描應用設計，代表著工業應用向前邁出的重要一步。這些傳感器使用最先進的低噪聲全局快門像素技術，實現數年前兩倍大小的像素才能達到的光電性能。通過小尺寸和與封裝的機械中心相匹配的光學陣列可以為設計輕薄的移動相機和模組，提供強大的解決方案，并實現針對小型OEM條碼引擎、移動終端、手機附件、物聯網、非接觸認證系統、可穿戴設備、無人機和機器人的緊湊移動設計。
其中有些是2.4:1的寬格式，這使得它們特別適合快速移動的物體或更寬傳送帶上的條形碼。它們還可以以1.2GHz的2通道MIPI CSI-2接口無縫連接到CPU、ISP、DSP芯片組。
CMOS圖像傳感器用于手持/固定和移動條碼閱讀器、OEM掃描引擎和自動識別。
這不僅僅是尺寸問題，掃描快速移動的物體需要非常短的積分時間，以避免捕捉到的圖像模糊。短積分時間意味著更少的光子積累，然后需要信號增益產生適當的灰度和對比度。還有額外的光學方面會進一步減少可用的光子（甚至在它們到達圖像傳感器之前）。由于其中一些應用中要求的寬距離成像，需要F-number較大的鏡頭來確保圖像能充分對焦。F-number越大意味著前光闌越小，從而減少到達傳感器上的可用光。如前所述，增加曝光時間并不可行，因此，如果傳感器的低光信噪比不佳，那么唯一的選擇是增加照明，從而帶來LED、電源和更嚴格的散熱管理設計等額外成本，以限制傳感器暗信號噪聲的增加（通常結溫每增加6到8度翻一倍）。
這款新一代CMOS傳感器通過小全局快門像素功能和“像素內”CDS（相關雙采樣）來滿足這些弱光挑戰，實現典型值為3個電子的總讀出噪聲。此外，具有零間隙微透鏡的先進雙光導設計最大限度地將光耦合到像素的光敏區域，以實現低光下的良好信噪比。光導和微透鏡還能實現非常寬的角響應，更接近于背照式像素（盡管這些傳感器為前照式）。這些“像素內”光學元件還可以減少像素間的串擾，從而提供清晰的圖像。
圖像質量的進一步討論需要囊括暗信號及其對固定模式噪聲（FPN）的影響，特別是在高環境溫度下。高暗信號非均勻性（DSNU）往往在圖像中導致更多的可見VFPN/HFPN，即使使用補償技術也是如此。
先進工業CMOS傳感器的應用優勢
目前，用于大多數條形碼閱讀器的CMOS傳感器約為1MP，設備制造商正在進行價格競爭，利潤率受到侵蝕。由于其更高的分辨率和獨特的寬比例格式，這些新型掃描專用工業CMOS傳感器的面世帶來了一個升級，可以實現更長或更寬的掃描范圍。這對需要更大的區域/視場的零售和物流掃描領域頗有幫助。與現有解決方案相比，終端用戶將從更快的傳送帶和更大的吞吐量中受益。
小巧的體積也使這些新型傳感器成為小型OEM掃描引擎和超薄移動平臺的理想選擇。全2MP分辨率、高幀率和低功耗的組合確保緊湊的掃描引擎具有更高的工作范圍和更長的電池自主性，非常適合手持和移動應用程序。一些傳感器還嵌入特定的條形碼閱讀功能用于快速掃描，如快速喚醒，實現通電后10毫秒內解碼第一幀。
文件掃描還需要的寬比例格式，是物流和包裹遞送領域移動條形碼終端中特別有用的功能。
未來趨勢和應用
除了條形碼閱讀外，零售POS（銷售點）中使用的固定條形碼掃描儀還逐漸用于對象識別，這樣水果、蔬菜和難以閱讀的標簽就可以在不受干預的情況下通過自助結賬，改善顧客的購物體驗。RGB傳感器可以提供增強的對象識別，為傳統的條碼讀取保持足夠的空間分辨率。
新型高效全局快門（典型值1/PLS>4000 @660nm）傳感器是通用機器視覺應用的理想選擇，如工廠自動化、自動檢測等。過去這些應用集成正方形格式的陣列，但現在全高清格式已經成為主流，其中一些傳感器可以通過裁剪或在水平方向上進行2 x 2像素合并來實現這一點，從而使單一相機設計滿足所有的要求。
CMOS傳感器也用于機器視覺、機器人和嵌入式成像應用。
用于拾取和放置貨物或用于將貨物從一個地方運輸到另一個地方的機器人設備使用2D條形碼閱讀器來識別貨物或箱子，并在工廠車間內穿行。為了安全和避免碰撞經常要用到3D技術，而利用這些更小尺寸的新型圖像傳感器可以輕松設計小型立體3D相機系統。
隨著人工智能和機器學習的部署，嵌入式視覺系統的普及程度顯著提高。這些傳感器也可以成為這些系統的眼睛。
因為體積小、重量輕、功耗低，先進CMOS傳感器還可以應用于無人機或遠程物聯網相機。全高清圖像格式兼容16:9顯示器，使這些設備自然適合遠程視覺檢查或監視應用。內部溫度感應甚至可以提供額外的環境信息和/或校正與溫度相關的工件。
由于其小體積，基于傳感器的口腔內2D或3D相機將讓牙科受益。同樣地，用于牙科匹配應用的彩色相機也可以實現。
一個日益增長的相關領域是醫療護理點掃描產品。這些是多功能手持終端，使病人可以在家中與醫生通過視頻通話進行醫療檢查。由于隔離和家庭護理需求，新冠肺炎疫情顯著提振了這一市場。相機是這些需要執行廣泛功能（例如放大區域和監測術后疤痕組織的進展）的終端的組成部分。同樣的相機還需要完成其他生物識別和計量任務，這些掃描專用傳感器將是理想的解決方案。
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