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锐芯新一代图像传感器技术”ECCD”,代表目前线阵图像传感器最先进技术
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2023-06-19 18:32:51来源: 中国机器视觉网

图像传感器按照成像方式分类,分为面阵图像传感器和线阵图像传感器。面阵图像传感器与线阵图像传感器的区别在于前者是以面为单位进行图像采集,可以直接获得完整的二维图像信息,后者的以“线”为单位,虽然通过扫描后也是二维图形,但长度较长,它只有一行感光像素,因此可以实现扫描和高分辨率成像,因此在高分辨、连续成像领域占据了重要的地位。线阵图像传感器主要应用于工业、医疗、安检、遥测等领域。但由于单线阵的高扫描速率导致其在暗场无法获得高品质的图像,由此产生了TDI线阵图像传感器。

TDI线阵图像传感器: TDI(Time Delay Integration)线阵图像传感器(即时间延迟积分线阵图像传感器)是一种改进的线阵图像传感器。TDI图像传感器基于对同一目标多次曝光,通过延迟积分的方法,其1D线阵像素组与成像物体的运动对齐且与待成像的物体运动同步,随着图像从一行像素移动到另一行,积分电荷也随之移动,大大增加了光信号的收集;与一般线阵传感器相比,它具有响应度高、动态范围宽等优点,在光线较暗的场所也能输出一定信噪比的信号,因此被广泛应用于暗光下快速物体的成像,比如高端工业机器视觉和全天候卫星遥感成像领域;同时由于原理的差异,它要求行扫描速率与目标运动速率严格同步,否则就不能正确的提取目标的图像信息,它允许在限定光强时提高扫面速度,或在常速扫面时减少照明光源的亮度,减小了功耗,减低了成本,同时另一个突出优点就是,在同步推扫方式成像时,可以在很大程度上消除相移。

CCD工艺是特殊的图像传感器工艺,其像素中的信号传输过程具有无噪声叠加的特点,因此早期的TDI线阵图像传感器主要是基于CCD工艺的CCD- TDI图像传感器。但由于其外围电路体积庞大且电压较高,不利于系统集成。而CMOS工艺与CCD工艺相比,具有高集成度和低成本的优势。随着CMOS工艺的发展,出现了基于CMOS有源像素和标准CMOS工艺的数字域叠加的CMOS-DTDI图像传感器。

CCD-TDI传感器利用采用电荷,一次TDI的过程最终只进行一次量化,输出一行数据,大大的节约了ADC开销和数据带宽,但是系统复杂,功耗较高。电压域的CMOS-DTDI传感器采用标准CMOS工艺,芯片集成度高,读出噪声小,但是由于采用数字域叠加,当积分级数较多时会导致ADC开销非常庞大大,从而使得芯片规模急剧扩展,外围电路也变得很复杂。

由于CCD TDI 传感器和电压域CMOS TDI传感器都存在各自的缺点,行业内的公司致力于构建基于CMOS工艺的电荷域TDI器件,即在通用CMOS集成电路工艺的基础上,嵌入CCD工艺模块,将图像感光(CCD)与采集处理(CMOS)集成在同一块芯片:利用CCD工艺,实现光电转换和无噪声电荷叠加;利用CMOS工艺,将复杂的图像信号采集量化电路功能集成到芯片中,有效提高图像质量。这种新型的TDI传感器具有以下优点:高灵敏度、高分辨率、低功耗、高系统集成度、低读出噪声、高扫描速度,在行业内被称为“hybrid CCD”或者“ECCD”,代表了目前线阵图像传感器的最先进技术,目前仅有少数公司具备相关技术的开发能力。

锐芯一直以图像传感器设计的核心技术,提升中国成像行业竞争力,为国家的尖端技术装备发展做出重大贡献为使命,经过多年深耕,锐芯在图像传感器的电路设计,像素设计和图像处理等领域已经拥有多项国内领先、国际先进的核心技术。尤其是锐芯自主研发的ECCD技术,融合了传统CCD和CMOS的优点,显著提高了图像传感器的成像质量,推动了国内图像传感器的技术发展。这也使得锐芯基于这项技术研发的TDI芯片成为高端图像传感器中一名尖刀。

现代工业与机器视觉

机器视觉是现代工业的核心元素,在半导体晶圆,FPD,PCB, 新能源,机器人及工业4.0等各个领域有着广泛的应用。近年来,随着各大工业领域技术升级换代,对工业相机特别是传感器的性能提出了新的要求:

在PCB领域,多层板、HDI 板、柔性板及 IC 载板等中高端 PCB 产品的市场需求倒逼PCB 制造工艺不断提升,对 PCB 制造中的曝光精度(最小线宽)要求越来越高;

在FPD领域,大尺寸LCD,ELD,OLED技术的不断发展催生了8.5代,10代乃至更高世代生产线投产, FPD制程的升级使得各工序缺陷检测,如色度、厚膜、光学密度检测,Mura缺陷检测,ColorFilter缺陷检测等的检测压力越来越大,同时由于大量新型透明材料的应用、多层结构和高密度特性以及潜在缺陷的精细性质,对AOI光学检测技术提出了更高的要求;

在半导体晶圆领域,先进集成电路的关键尺寸进一步微缩至亚10nm尺度,图形化晶圆上制造缺陷(包括随机缺陷与系统缺陷)的识别、定位和分类变得越来越具有挑战性,因此亟需探索具有更高成像分辨率和更强缺陷散射信号捕获性能的缺陷检测新技术;

锐芯自主研发的ECCD TDI传感器因高灵敏度、高信噪比、高速度、高积分阶数,低功耗、系统简化等优点,代表业界先进技术,回应了现代工业领域,尤其是半导体晶圆检测,FPD面板检测,高端PCB检测等领域的技术革新的新需求,在中高端机器视觉系统和AOI系统中有着广泛的应用。