現有應用程式的不斷演變和大量令人興奮的新興應用程式正在創造對高性能影像感測器的巨大需求。一個很好的例子是,到2020年影像感測設備年複合成長率(CAGR)預計將達8%。考慮到各類小型、攜帶式或「移動型」產品的成長趨勢,對於在極暗到極亮的光線條件範圍下,能捕捉動態場景中清晰影像的感測器需求也在日益增加。

考慮到它們的操作性質,採用滾動式快門的傳統設計可能難以達到所需的影像品質。另一方面,全域快門(global shutter)設計則能夠捕捉高品質影像,而無任何污跡(smearing)、彎曲或失真(smearing)。

安森美半導體最新的AR0144包含提高影像感測應用的實用性和多功能性。在一些令人興奮的終端產品驅動下,全域快門影像感測器市場正在迅速崛起。設計人員需要高性能,對感測器有嚴格的運轉參數,進而提供小型且功能強大的方案,實現可在所有光照條件及靜態和動態環境中都能工作的目標。

隨著物聯網(IoT)等技術的進步,我們的世界變得更加智慧且互連,機器也需要更加瞭解周圍環境。因此,有數十億互連的感測器可回報溫度、濕度、光線,以及各種其他參數,讓智慧設備能夠替我們做決定並控制事物。

雖然進步迅速而顯著,傳統的感測通常只能以嚴格定義的方式測量一個參數。當我們進入下一代技術革命時,影像感測器將脫穎而出,為我們的世界提供更為複雜的感測與記錄。

影像感測市場已經非常龐大,預期還將迅速成長。研究公司Mordor Intelligence預估,2018年全球影像感測器市場將達到126.7億美元,並在2014~2020年每年平均成長7.69%。

隨著技術的演進和進步,用於影像感測器的新應用也在不斷增加,就連傳統市場也開始出現需求。條碼無所不在,但是對消費或商業應用中的影像感測器來說,要在低於理想光照條件下更加快速精準地讀取條碼並非易事。無人機、擴增實境/虛擬實境(AR/VR)等全新應用都仰賴影像資料來避免衝撞,擷取手勢辨識資訊或精確的3D地圖,以提升用戶體驗。

高階和專業安防攝影機技術正變得越來越複雜,並將顯著地受益於最新影像感測器帶來的視覺技術提升。安防攝影機不僅能夠在微光照條件下工作,新應用也在不斷被開發,由於技術的進步,即使是正在高速行駛的車輛,車牌也能被讀取。

感測器中的快門技術

在CMOS影像感測器中,可提供兩種類型的快門——滾動快門和全域快門。滾動快門自上而下逐步掃描影像,依次逐行曝光。

20180621NT01P1 圖1 捲簾快門自上而下逐行曝光感測器。

雖然這種方法是模仿多數攝影機的機械快門,但有一定的限制及益處。如果配有感測器的攝影機和所捕捉的場景都相對靜止,那麼就不會有任何問題,但是,由於自上而下移動的掃描需要一定的時間(隨著更多的畫素添加到感測器,所需的時間也越長),如果在此期間攝影機或拍攝主體移動,則會導致影像失真,這就是為什麼旋轉的飛機螺旋槳照片看起來很扭曲。滾動快門影像感測器的優點是更高的解析度、更小的畫素,以及最新的畫素技術能以符合成本效益的方式實現更高整體影像品質。

全域快門透過記錄將整個影像整合並複製到儲存區時所捕捉的光線水準,避免影像被弄髒或彎曲,進而抵消攝影機移動或場景內移動所產生的任何影響。

隨著捕捉動態物品不失真影像的需求增加(例如無人機和AR/VR應用),全域快門意味著完全具代表性且清晰的場景捕捉將有機會實現。

考慮到許多視覺感測器應用的移動和電池供電性,尺寸小、重量輕和低能耗將成為關鍵的成功因素。此外,還需要在光線較差的情況下(包括微光照水準,以及同一幀中極端明暗情況)能精準地捕捉影像。

20180621NT01P2 圖2 使用捲簾快門的模糊的風扇影像(左圖)和使用全域快門的非模糊版本(右圖)。

具有全域快門技術影像感測器用於現代應用

安森美半導體推出的AR0144,它是一款1/4英吋、100萬畫素(1,280H×800V)的CMOS數位影像感測器,可捕捉清晰、準確的影像,光線明亮和昏暗的條件下都不會失真。3.0μm畫素感測器採用全域快門,滿足在靜態和動態場景應用中準確和快速捕捉影像的嚴格要求。其高快門效率和訊噪比(SNR)充分降低重影(ghosting)和雜訊影響,提高了整體影像品質。

在條碼掃描器等靜態應用中,新感測器透過確認初次掃描來保證快速的結果。在無人機等電池供電的動態應用中,該感測器的低耗能特性(< 200mW)能夠延長充電時間間隔,其成像性能可提供更佳的環境映射(mapping),避免嚴重碰撞。性能快速和成像準確讓AR/VR應用能夠即時渲染場景,進而強化用戶體驗。

新CMOS數位影像感測器具有高度的靈活性,可選擇主要影像/影片、觸發幀/單幀,以及自動觸發操作模式。曝光時間透過積體電路匯流排進行控制,視窗大小和遮沒時間配置讓解析度和幀率(全解析度時達到60fps)可進行調整,以覆蓋應用所需的任何興趣區(Region of Interest,ROI)。

該感測器提供單色和彩色版本。由於畫素的降低,感測器比前幾代產品縮小了50%。5.6mm×5.6mm晶片尺寸或裸片格式可選,使超小方案能夠輕鬆地嵌入空間受限的手持或可攜式裝置。

總結

隨著感測技術向完全基於視覺的系統發展,使得互連設備能夠真正「看見」並解讀環境,全域快門技術代表了在產生高品質影像方面的重要一步,即使在具有挑戰性的條件亦是如此。市場永遠不會停滯不前,且對更高解析度感測器的需求將不斷成長,以進一步解決更多細節問題。