47.5Mp高分辨率、高速全局快門CMOS成像傳感器

　　簡介

　　全局快門CMOS成像傳感器在當(dāng)今的機(jī)器視覺領(lǐng)域十分常見，因?yàn)樗鼡碛信cCCD傳感器和卷簾快門傳感器相同的光學(xué)性能，同時還具備眾多優(yōu)勢。全局快門CMOS傳感器目前主要是在較低分辨率的市場中取代CCD和卷簾快門傳感器。在高分辨率市場中，主要采用的技術(shù)仍然是CCD，但我們看到這些市場也有轉(zhuǎn)向CMOS的需求，因?yàn)檫@可以簡化攝像頭設(shè)計和操作，同時提高幀率并導(dǎo)入全局快門技術(shù)。

　　圖1：CMV50000前視圖

　　艾邁斯半導(dǎo)體當(dāng)前的CMV系列產(chǎn)品采用了獲得專利的8T像素結(jié)構(gòu)，具有真正的相關(guān)雙采樣(CDS)和流水線式全局快門，可提供從VGA到20Mp的多種分辨率。最近，艾邁斯半導(dǎo)體該系列產(chǎn)品又增加了一款新產(chǎn)品：CMV50000。CMV50000是一款47.5Mp的成像傳感器，在全分辨率35mm光學(xué)尺寸(36.43×27.62mm)下幀率可達(dá)30fps。該傳感器基于CMV早期產(chǎn)品的成熟技術(shù)，具有更高性能和更多功能。

　　CMV50000的像素陣列為7920×6004，它采用具有真正CDS的4.6µm8T流水線式全局快門像素結(jié)構(gòu)。該傳感器設(shè)計在減小像元尺寸的同時保證性能接近甚至更好。它配備一個12位ADC，具有非常低的噪聲水平(8.8e)和高線性滿阱電荷(14500e)，動態(tài)范圍可達(dá)64dB。低暗電流（60℃時為66e/s）與片上黑電平校準(zhǔn)相結(jié)合，令該傳感器即使未經(jīng)冷卻，也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)秒的長曝光。

　　該傳感器還具有片上行校正功能，可直接從傳感器中獲得去噪圖像。啟用Binning功能，F(xiàn)WC可提升至58ke左右，從而使信噪比增加一倍，高亮區(qū)細(xì)節(jié)更多。CMV50000具有交叉曝光HDR模式、可同時輸出多達(dá)10個窗口(ROI)、精確的片上溫度傳感器、多種觸發(fā)模式和高達(dá)4倍的模擬增益，并全部由簡單的SPI寄存器進(jìn)行控制。全分辨率時的幀率為30fps，輸出更小的窗口時可獲得更高幀率。

　　由于該傳感器支持35mm光學(xué)格式，因此您可以使用標(biāo)準(zhǔn)攝像頭光學(xué)元件以簡化系統(tǒng)設(shè)計。

　　圖2：CMV50000框圖

　　應(yīng)用

　　CMV50000的高分辨率、高速率和高性能使其成為高端機(jī)器視覺、平板顯示器(FPD)檢驗(yàn)、安防、航空應(yīng)用以及ITS等應(yīng)用的理想之選。

　　高端機(jī)器視覺

　　高分辨率、全局快門和高幀率使CMV50000成為高端機(jī)器視覺應(yīng)用的理想之選。借助高分辨率，您可以選擇提高總檢測區(qū)域大小或選擇獲取更多可見細(xì)節(jié)。與艾邁斯半導(dǎo)體4MpCMV4000傳感器相比，CMV50000的檢測區(qū)域大小或細(xì)節(jié)能力提高了約12倍。

　　低噪聲結(jié)合4倍模擬增益使其在低照的環(huán)境下能夠顯示更多的細(xì)節(jié)。由于該傳感器支持35mm光學(xué)格式，因此攝像頭可采用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)器件。

　　FPD檢測

　　平板顯示器的檢測越來越自動化，加上快速更新的新趨勢和新技術(shù)，這一新興應(yīng)用亟需像CMV50000這樣的高性能成像傳感器。

　　用于電視機(jī)、智能手機(jī)以及其他設(shè)備的顯示器不僅物理尺寸普遍變得更大，而且分辨率越來越高（例如4K和8KUHD）、像素密度也更高，這些都促使高分辨率檢測系統(tǒng)的需求快速增長。

　　除大屏幕顯示器之外，配備微型顯示器的設(shè)備（如智能手表、AR眼鏡、物聯(lián)網(wǎng)）的數(shù)量也在迅速增長。這些小尺寸顯示器不容許有任何瑕疵，否則終端用戶會立即注意到它們。

　　不單是尺寸、分辨率和數(shù)量不斷增加，新技術(shù)（OLED、量子點(diǎn)、微型LED等）也迅速涌現(xiàn)，并且要求檢測系統(tǒng)具有更高的性能。

　　47.5Mp高分辨率可以檢測更大尺寸、更高分辨率的顯示器，或同時測試多個小尺寸顯示器以縮減整體測試時間。用戶可以通過1:1采樣率測試整個8K顯示器的亮度均勻性，也可以通過4:1或16:1過采樣率測試整個4K或2K顯示器，以檢測各顯示像素點(diǎn)。

　　與同等分辨率的其他成像傳感器相比，CMV50000具有30fps的高幀率，有助于縮短測試時間。現(xiàn)在可以用一個更高分辨率的攝像頭取代多個低分辨率的光學(xué)攝像頭，從而降低系統(tǒng)成本。

　　由于瑕疵對比度低，并在顯示器上形成漸變殘影，該傳感器的低噪聲、高動態(tài)范圍和高信噪比使其成為測試顯示器亮度不均勻(mura)的理想之選。此外，OLED像素亮度測試也將因此獲益，因?yàn)镺LED每個像素點(diǎn)的亮度變化都不同。

　　出色的成像質(zhì)量結(jié)合極低暗電流和黑電平校準(zhǔn)，使該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)長曝光，再結(jié)合4倍模擬增益，即使是泄漏到顯示器外最微弱的光線也能被顯示出來。CMV50000的Binning功能可使信噪比增加一倍，從而可以在高亮度圖像中看到更多細(xì)節(jié)。

　　航拍成像

　　CMV50000能發(fā)揮其出眾性能的另一個應(yīng)用領(lǐng)域是航拍成像。47.5Mp高分辨率的35mm大尺寸成像格式可以使無人機(jī)實(shí)現(xiàn)更低GSD（地面采樣間距）或更高拍攝高度。

　　在無人機(jī)上使用卷簾快門傳感器，會在捕獲圖像時產(chǎn)生所謂的“果凍效應(yīng)”。這是因?yàn)榭扉T位置和圖像傳感器在曝光過程中發(fā)生了移動，導(dǎo)致獲取到的圖像變形失真。這種失真會影響精度，為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確成像與測量，必須在后期消除失真（或采用機(jī)械快門）。CMV50000采用全局曝光，所有像素點(diǎn)均在同一時間開始和停止曝光，從而徹底解決了這個問題。因此，采用CMV50000的無人機(jī)可以在速度和移動上受到更少限制，同時仍能生成無失真圖像。

　　如果不需要全畫幅30fps，也可以輕松地調(diào)低傳感器的幀率，以降低功耗、帶寬、存儲和攝像頭復(fù)雜度。

　　該傳感器的工作溫度范圍為-40℃至70℃，因此適用于惡劣環(huán)境下的航拍成像。

　　視頻/廣播

　　CMV50000具有黑白和彩色(RGB)兩種版本。35mm全畫幅格式以及高分辨率(>8KUHD)使其成為視頻和廣播應(yīng)用的理想之選。該傳感器在8K(7680×4320)分辨率時的最高運(yùn)行速度為40fps。

　　由于該傳感器的高分辨率，用戶可以通過降低采樣率將分辨率降至4K（或HD）以進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量，或根據(jù)需求選擇裁剪輸出一個或多個4K或HD的分辨率同時仍能生成清晰的4K或HD圖像（數(shù)碼變焦）。

　　低噪聲、高動態(tài)范圍和片上校正功能使該傳感器能夠直接輸出高質(zhì)量圖像，而全局快門技術(shù)可以確保無失真地捕獲高速動態(tài)影像。

　　評估套件

　　艾邁斯半導(dǎo)體提供CMV50000評估套件。利用板上快速內(nèi)存，該評估套件能夠以全畫幅幀率捕獲和保存全分辨率圖像。這些原始圖像可以傳輸至計算機(jī)，供日后檢驗(yàn)使用。評估套件使用USB3.0連接并兼容USB3Vision標(biāo)準(zhǔn)。該套件配備了易于使用的軟件（基于NIMAX），并且易于集成到測試系統(tǒng)中，以便全面評估成像傳感器。

　　圖3：CMV50000EVK傳感器評估板

　　未來一代的產(chǎn)品

　　要求攝像頭更小、更輕并且分辨率更高的需求正在不斷增加。這只有通過減小像素尺寸，才能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，大家普遍認(rèn)為像元尺寸減小，性能肯定也會降低。艾邁斯半導(dǎo)體致力于在縮減像元尺寸的同時保持高性能。這將為實(shí)現(xiàn)高性能、高分辨率且小巧輕便的攝像頭掃除障礙，無需昂貴的大尺寸光學(xué)部件，并且攝像頭可安裝在更多空間受限的環(huán)境中。