全局快門圖像傳感技術滿足動態視覺市場不斷演變的需求

導讀：現有應用的不斷演變以及大量令人興奮的新興應用正在創造對高性能圖像傳感器的巨大需求，有關市場調研機構預計，到2020年圖像傳感產品年復合增長率預計接近8%。鑒于各類小型、便攜及“移動”產品以及相關應用市場的增長趨勢，對于能夠捕獲動態場景清晰圖像，以及適應從極暗到極亮的光線條件的圖像傳感器的需求也在日益增加。

傳統的卷簾快門設計由于其逐行掃描的工作方式使其很難達到所需的圖像質量，而全局快門設計則能夠捕捉高質量圖像，而不會產生任何拖尾、彎曲或偽影。在一些激動人心的終端產品的驅動下，全局快門圖像傳感器市場正在迅速崛起。設計人員需要的傳感器，不僅高性能，而且要具有嚴格的操作參數，從而為其提供小而功能強大的解決方案，以便可以在所有光照條件下、在靜態和移動環境中完成工作。

本文簡述了CMOS傳感器技術市場的發展，并比較了卷簾快門和全局快門兩種快門技術的優劣點，介紹了安森美半導體的AR0144主要性能，可以為圖像傳感應用提供更多的實用性和多功能性的選擇。關鍵詞：CMOS；圖像傳感器；全局快門；AR0144

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：D

文章編號：1006-883X(2018)04-0040-02

收稿日期：2018-03-05

圖像傳感器即將脫穎而出

隨著物聯網（IoT）等技術的進步，我們的世界變得更加智能且日益互聯，機器也需要更多地了解周圍環境。因此，有數十億互聯的傳感器報告著溫度、濕度、光照以及其他各種參數，讓智能設備能夠代表我們做出決定并控制事物。

雖然進步迅速而顯著，但以較為嚴格的定義來說，傳統的傳感器通常只測量一個參數。當我們邁向下一代傳感技術革命時，圖像傳感器即脫穎而出，為我們的世界提供更為復雜的傳感和記錄。

圖像傳感市場已經非常龐大，預計還將迅速增長。據市場研究公司Mordor Intelligence預計，2018年全球圖像傳感器市場將達到126.7億美元，而從2014到2020年平均每年增長7.69%（http://blog.mordorintelligence.com/image-sensors-market-to-reach-12-67-billion-by-2018/）。

隨著技術的發展和完善，使用圖像傳感器的新應用也在不斷增加，甚至在傳統市場也能看到需求。條形碼無處不在，但是對于消費或商業應用中的圖像傳感器來說，要在低于理想光照條件下更加快速地高度精準地讀取條形碼并非易事；無人機、增強現實和虛擬現實（AR/VR）等全新應用也都依賴圖像數據來防止沖撞、采集手勢輸入信息或精確的3D地圖場景，以提升用戶體驗；高端和專業安防攝像機技術正變得越來越復雜，并顯著地受益于最新圖像傳感器所帶來的視覺技術的提升，安防攝像頭不僅能夠在微光照條件下工作，新應用也在不斷被開發，由于技術的進步，即使是正在高速行駛的車輛，其車牌也能被快速讀取。

圖像傳感器中的快門技術

現有CMOS圖像傳感器有兩種快門技術——卷簾快門和全局快門。

卷簾快門自上而下逐步掃描圖像，依次曝光每一行。雖然這種方法是模仿大多數攝像機的機械快門，但有一定的局限性（以及益處）。如果配有傳感器的攝像機和所捕獲的場景相對靜止，那么就不會有任何問題。但是，由于自上而下的掃描需要一定的時間（隨著傳感器像素越來越高，所需的時間也越長），那么如果在此期間攝像機或拍攝主體移動，就會導致圖像失真，這就是為什么旋轉的飛機螺旋槳照片看起來很扭曲的原因。卷簾快門圖像傳感器的優點是更高的分辨率、更小的像素以及最新的像素技術能夠以成本效益的方案驅動更高的整體圖像質量。

全局快門通過集合和復制整個圖像采集整個圖像的光照強度，并將其記錄到存儲區，避免圖像拖尾和變形，從而抵消攝像機移動或場景內物體移動所產生的任何影響。

隨著對捕獲移動對象不失真圖像的需求不斷增長（例如無人機和AR/VR應用），全局快門意味著完全具有代表性的、清晰的場景捕獲將成為可能。

考慮到許多視覺傳感器應用的移動和電池供電特性，尺寸小、重量輕和低能耗工作將成為成功的關鍵性因素。除此之外，還需要在較差光照條件下（包括微光照水平、以及同一幀中存在極端明暗情況）能夠精準地捕獲圖像 。

全局快門圖像傳感器的應用

安森美半導體近期推出的AR0144是 一 款 1/4in.、1.0Mp（1280H×800V）的 CMOS數字圖像傳感器，可在明亮和低光照條件下捕獲清晰、精確的圖像而不會出現偽影。3.0μm像素傳感器采用全局快門，滿足了在靜態和移動場景應用中準確而快速地捕獲影像的嚴格要求。其高快門效率和信噪比充分降低重影和噪音影響，提高了整體圖像質量。

在條形碼掃描儀等靜態應用中，AR0144通過確保初次掃描來保證快速操作；在無人機等電池供電的動態應用中，傳感器的低能耗特性（<200mW）能夠延長充電時間間隔，其成像性能可提供更好的環境映射以避免嚴重碰撞；而快速的性能和準確的成像使AR/VR應用能夠實時渲染場景，從而提升用戶體驗。

AR0144具有高度的靈活性，可選擇主圖像/視頻、觸發幀/單幀以及自動觸發操作模式。曝光時間通過雙線串行接口進行控制，列框選尺寸和消隱時間配置令分辨率和幀率（全分辨率時達到60fps）可調整，以覆蓋應用所需的任何興趣區（ROI）。

該傳感器提供單色和彩色版本。由于像素尺寸減小，傳感器比前幾代產品縮小了50%。5.6mm×5.6mm芯片尺寸或裸片格式可選，使超小方案能夠輕松地嵌入空間受限的手持或便攜設備。

總結

市場永遠不會停滯不前，隨著傳感技術越來越趨向完全基于視覺的系統方案，使彼此互聯的設備能夠真正“看到”并解讀其環境，而對更高分辨率的圖像傳感器的需求將不斷增長，以解決更多細節問題，全局快門技術代表了在產出高質量圖像方面邁出的重要一步，即使在具有挑戰性的條件下也是如此。

（本文由安森美半導體提供）