47.5Mp高分辨率、高速全局快門CMOS成像傳感器

Pieterjan Daelemans

艾邁斯半導體

一、前言

全局快門CMOS成像傳感器在當今的機器視覺領域十分常見，因為它擁有與CCD傳感器和卷簾快門傳感器相同的光學性能，同時還具備眾多優勢。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，主要采用的技術仍然是CCD，但我們看到這些市場也有轉向CMOS的需求，因為這可以簡化攝像頭設計和操作，同時提高幀率并導入全局快門技術。

二、CMV50000簡介

艾邁斯半導體的CMV系列產品采用了專利 8T像素結構，具有真正的相關雙采樣（CDS）和流水線式全局快門，可提供從VGA到20 Mp的多種分辨率。該系列產品最新一款是CMV50000。

CMV50000是一款47.5 Mp的成像傳感器，在全分辨率35 mm光學尺寸（36.43 mm×27.62 mm）下幀速可達30 fps。該傳感器基于CMV早期產品的成熟技術，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4.6 μm 8T流水線式全局快門像素結構。該傳感器設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（8.8 e）和高線性滿阱電荷（14500 e），動態范圍可達64 dB。低暗電流（60 ℃時為66 e/s）與片上黑電平校準相結合，令該傳感器即使未經冷卻也可以實現數秒的長曝光。

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，FWC可提升至58 ke左右，從而使信噪比增加一倍，高亮區細節更多。CMV50000具有交叉曝光HDR模式，可同時輸出多達10個窗口（ROI），精確的片上溫度傳感器，多種觸發模式和高達4倍的模擬增益，并全部由簡單的SPI寄存器進行控制。全分辨率時的幀率為30 fps，輸出更小的窗口時可獲得更高幀率。

由于該傳感器支持35 mm光學格式，因此用戶可以使用標準攝像頭光學元件以簡化系統設計。

三、應用

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

高端機器視覺

CMV50000具有高分辨率、全局快門和高幀率，是高端機器視覺應用的理想之選。借助高分辨率，用戶可以選擇提高總檢測區域大小，或選擇獲取更多可見細節。與4 Mp CMV4000相比，CMV50000的檢測區域大小或細節能力提高了約12倍。

低噪聲結合4倍模擬增益，使CMV50000在低照的環境下能夠顯示更多的細節。由于該傳感器支持35 mm光學格式，因此攝像頭可采用標準光學器件。

平板顯示器檢測

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，這一新興應用亟需像CMV50000這樣的高性能成像傳感器。

用于電視機、智能手機以及其他設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4 K和8 K UHD），像素密度也更高，這些都促使高分辨率檢測系統的需求快速增長。

除大屏幕顯示器之外，配備微型顯示器的設備（如智能手表、AR眼鏡、物聯網）的數量也在迅速增長。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、分辨率和數量不斷增加，新技術（OLED、量子點、微型LED等）也迅速涌現，并且要求檢測系統具有更高的性能。

47.5 Mp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8 K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4 K或2 K顯示器，以檢測各顯示像素點。

與同等分辨率的其他成像傳感器相比，CMV50000具有30 fps的高幀率，有助于縮短測試時間。現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攝像頭，從而降低系統成本。

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，因為OLED每個像素點的亮度變化都不同。

出色的成像質量結合極低暗電流和黑電平校準，使該傳感器能夠實現長曝光，再結合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節。

航拍成像

CMV50000能發揮其出眾性能的另一個應用領域是航拍成像。47.5 Mp高分辨率的35 mm大尺寸成像格式可以使無人機實現更低GSD（地面采樣間距）或更高拍攝高度。

在無人機上使用卷簾快門傳感器，會在捕獲圖像時產生所謂的“果凍效應”。這是因為快門位置和圖像傳感器在曝光過程中發生了移動，導致獲取到的圖像變形失真。這種失真會影響精度，為了實現準確成像與測量，必須在后期消除失真（或采用機械快門）。CMV50000采用全局曝光，所有像素點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30 fps，也可以輕松地調低傳感器的幀率，以降低功耗、帶寬、存儲和攝像頭復雜度。

該傳感器的工作溫度范圍為-40 ℃至70 ℃，適用于惡劣環境下的航拍成像。

視頻/廣播

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

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4 K（或HD）以進一步提高圖像質量，或根據需求選擇裁剪輸出一個或多個4 K或HD的分辨率同時仍能生成清晰的4 K或HD圖像（數碼變焦）。

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

四、評估套件

艾邁斯半導體提供CMV50000評估套件。利用板上快速內存，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，供日后檢驗使用。評估套件使用USB 3.0連接并兼容USB3Vision標準。該套件配備了易于使用的軟件（基于NI MAX），并且易于集成到測試系統中，以便全面評估成像傳感器。

五、未來一代的產品

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現。當然，一般普遍認為像元尺寸減小，性能肯定也會降低。艾邁斯半導體則致力于在縮減像元尺寸的同時保持高性能。這將為實現高性能、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部件，并且攝像頭可安裝在更多空間受限的環境中。