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图像传感器扩展机器视觉应用

发布时间:2018-06-14     来源:中国视觉网       访问次数:1585

导读:就像CMOS传感器已经取代了CCD器件一样,新型成像器的出现正在扩展机器视觉应用的功能。
     据Yole Développement称,机器视觉相机市场将从2017年的20亿美元增长到2023年的约40亿美元,复合年增长率(CAGR)为12%。 Yole的Alexis Debray博士表示,对质量控制的需求促进了机器视觉在汽车,电子,半导体,食品和包装行业的应用。
    现在,机器视觉系统可以在农业应用,车牌识别道路以及在最近的自动驾驶汽车中找到。“这创造了一个高度活跃的市场,”Yole的Pierre Cambou评论道,“从2014年到2017年,图像传感器和相机公司的兼并和收购活动已经加速。”

图1

    例如,Teledyne Technologies在2017年收购e2v,FLIR在2016年收购Point Gray, ams在2015年收购CMOSIS,2014年安森美半导体合并Aptina和Truesense。这导致现在只剩下少数几家主要的CMOS图像传感器(CIS) 据Yole称,索尼公司的市场份额为42%。(图1)。
    索尼的市场支配地位,从许多相机公司使用其设备上可见一斑。 Imperx首席执行官兼总裁Petko Dinev表示:“索尼的Pregius是最有前途的CMOS成像器产品系列。 事实上,他的公司已经实施了几款基于3.2至12.0 MPixel的成像器,其接口包括GigE Vision,Camera Link和SDI,并且打算增加16 和 20 MPixel版本,并支持10GigE和CoaXPress接口。
    “我们的客户倾向于索尼成像器,主要是因为它们的尺寸较小 - 例如,对于5 MPixel相机,2/3英寸大小 - 以及更高的信噪比,”堡盟业务发展经理Doug Erlemann补充道。
索尼的成像器也得到其他众多公司的支持,例如Basler在其ace相机型号中使用第二代Pregius设备。 
    对于在高端市场开发相机的公司而言,只有少数商用传感器公司能够满足他们的需求。 其中包括诸如ams 公司的CMOS CMV50000, 47.5 MPixel成像器,安森美半导体的   Python 16 MPixel 和 25 MPixel设备以及佳能120MXS 120 MPixel CMOS传感器等。

    佳能在美国的分销商Phase 1 Technologies总裁Rusty Ponce de Leon表示:“佳能已经制定了一项计划,每个需要120 MPixel卷帘式快门感应器的客户都必须签署保密协议。
其中一家公司Imperx评估了佳能的120 MPixel设备,但Petko Dinev表示,2.2微米的小像素尺寸意味着动态范围相对较小,这会限制相机开发人员使用佳能镜头。

    堆叠传感器


    为了满足手机对成像器外形尺寸的要求, 2012年索尼宣布推出世界上第一款用于消费电子产品的设备——堆叠式CMOS图像传感器,Chipworks公司Ray Fontaine说道,这是主流CMOS图像传感器的艺术品。

    今天,佳能,OmniVision Technologies,安森美半导体,松下,三星电子,索尼和意法半导体等公司正在生产堆叠式图像传感器。
    在这些堆叠CIS设计中,多个IC用于使用硅通孔(TSV)来连接单独IC的图像传感和数字处理。 这种设备的一个例子是来自OmniVision的PureCel-S OV13860 13 MP像素传感器,这是一种背面照明图像传感器,可将成像阵列与图像传感器处理管线分开堆叠在模具结构中。 与非堆叠式传感器相比,这样可以在传感器上实现更多的功能,同时提供更小的裸片尺寸。 其中OV13860的功能包括全分辨率下30 fps的帧率,1.3μm像素尺寸和120 fps的720p图像捕捉。
    与使用两个硅层构建堆叠式图像传感器来执行图像捕获和图像处理一样,像索尼和三星这样的公司现在已经开发了三层设备,它们在用于图像捕获和图像处理的硅之间集成了存储器,以实现高速图像捕获。
    例如,在去年12月的国际电子设备会议(IEDM)上,索尼公司展示了一种三层堆叠背面照明和减薄19.3 MPixel成像器, 1Gbit DRAM。
    正如传感器供应商为了满足便携式成像应用的需要而减少其设备的外形尺寸一样,他们也在开发使用新的架构来扩展其应用的图像传感器。 例如,今年2月,松下公司介绍了一款8k CMOS传感器,能够以60 fps的速度使用基于有机光导薄膜(OPF)的图像传感器。 在这种设计中,OPF执行光电转换,电路区域执行电荷存储和信号读出。 通过改变施加到OPF的电压,可以改变器件的灵敏度,从而可以使用相同的像素结构实现高灵敏度和高饱和度模式。 因此,有可能捕获例如在高灵敏度模式下使用传感器时无法实现的灯丝绕组结构(图2)。

                                         图2

    物理应力


    新的架构也被应用于CMOS,以解决透明和半透明流体和固体中物理应力的测量以及垃圾分离和食品分析问题。
    解决这个问题的最新进展之一是推出CMOS成像器,用于替代现有应用中使用的偏光镜。

    例如,六年前,Fraunhofer集成电路研究所的研究人员开发了一款名为Polka的相机,该相机使用了一个定制的560 x 256像素CMOS图像传感器,并覆盖了一个2×2矩阵的偏振滤光片。 
像Fraunhofer一样,4D Technology在其PolarCam相机中使用了类似的原理,将微偏振器连接到传感器上(图3)。

图3

    除4D Technology外,其他相机制造商还使用区域传感器执行透明材料和液体中的应力分析任务。
    例如,Photron使用了一个20微米像素尺寸的1百万像素CMOS图像传感器和一个直接固定在其Crysta 2D偏振相机中的传感器上的偏振器。偏振器使用四个方形像素组,每个像素在0°,45°,90°和135°处具有不同的偏振轴,以7,000fps提供偏振测量。
    PHX050S-P相机基于IMX250 Sony Pregius CMOS单色传感器,每四个像素上有四个不同的定向偏振滤镜(0°,90°,45°和135°)。然后通过GigE Vision接口输出每个图像像素的强度和偏振角。
    想要进入这种的专业市场的人不能忽视这样的发展.
    例如,去年9月,Teledyne DALSA推出了Piranha4线扫描偏振相机,该相机使用具有微偏振滤波器的四线性CMOS图像传感器.
     “偏振使应用于工业的视觉技术上了一个新台阶。它可以检测出使用传统成像检测不到的材料属性,如双折射和应力。“高级产品经理Xing-Fei He说。


    超光谱成像


    将单个像素基础上的专用滤光片集成到单片成像器上也可用于构建不同类型的高光谱传感器。 系统和计算机工程、技术和科学研究所的TelmoAdão在他对许多用于高光谱成像的摄像机的回顾中指出,虽然多光谱图像通常采用5-12个光谱波段,但高光谱图像由数百甚至数百个、数千个带宽较窄的波段组成。
    高光谱成像的发展使得目前可以集成在无人飞行器系统(UAS)中的小型传感器出现,主要应用于科学和商业目的。
    这些高光谱图像传感器正被一系列相机公司用于不同的线扫描和面阵传感器配置,并提供各种相机对计算机接口以适应各种应用。


    虽然手机市场将继续推动堆叠式CIS设备的发展,但这些设备也将应用在无人机,机器人和监视领域中。 同时,许多安全,汽车和医疗成像应用将要求CIS设备和相机具有更高的灵敏度。 未来,还期望使用更新颖的定制滤光片阵列来扩大这些设备的色彩保真度,以及它们在多光谱,高光谱和材料测试应用中的使用。