X-Class CMOS影像感測器平台滿足機器視覺市場需求 增強工業用攝影機的設計靈活性

機器視覺(Machine Vision),好比機器的眼睛,可實現捕捉、分析影像並根據影像中的資訊做出決策。醫療成像、軍事偵察領域以及新興的機器人技術、人工智慧(AI)推動機器視覺市場快速增長。據研究機構Yole Development的調查結果發現,自動化、智慧交通系統(Intelligent Transportation System ;ITS)、條碼掃描和視覺分析等細分市場在2012-2022年的年均複合增長率約9%。在中國製造2025計畫的刺激和生產力需求不斷增加的驅動下,中國對自動化的投資是世界其他地區的3倍。同時,自動化在向嵌入式視覺、AI、深度學習、3D機器視覺、高光譜(Hyperspectral)、深紫外光(DUV)等趨勢演進。

 

安森美半導體具備40多年的成像經驗,以34%的市占率稱冠全球工業成像市場,公司的X-Class CMOS影像感測器平台具備業界領先的像素尺寸與卓越的光學性能、更快影格率、更低功耗、多種速度等級、簡化設計等競爭優勢,解決機器視覺市場需要解析度高、影像品質優、能效高且能根據不同市場需求來搭配速度等級的影像感測器,縮短設計時間,簡化設計流程和供應鏈。

 

安森美半導體具備絕佳的成像產品與成像技術

安森美半導體是唯一能同時提供工業級電荷耦合元件(Charge Coupled Device;CCD)和CMOS像素設計的供應商,無論是產品或是技術在工業成像領域都可說無與倫比,影像感測器陣容廣泛,解析度從VGA到5000萬畫素,像素尺寸從3.2 µm到24 µm,成像對角線從3.8 mm到70 mm,並具備電子倍增管(electron multiplier)、系統單晶片(SoC)整合、專有的彩色濾波陣列(Color Filter Array;CFA)配置、高速輸出架構、定制設計能力等廣博的成像技術基礎。

 

X-Class平台使單一攝影機設計支援多種解析度和像素

最初的攝影機設計,設計人員使用每一款影像感測器都需從零開始設計開發,耗時費力成本高。後來,安森美半導體推出PYTHON系列,僅需2塊印刷電路板(Printed Circuit Board;PCB)即能支援該系列中的所有八種解析度(從VGA到25 Mp)。

 

而X-Class影像感測器平台是PYTHON系列的更進一步的升級版,透過在同一影像感測器框架內支援多種CMOS像素架構,實現攝影機設計的新維度。使單一攝影機設計不僅能支援多種產品解析度,亦能支援不同的像素功能,無論是全局快門(Global Shutter)、捲簾快門(Rolling Shutter)、高動態範圍(HDR),或是其他不同的功能,例如在給定的光學尺寸以犧牲解析度換取更高成像靈敏度的更大像素,以及最佳化設計能實現低雜訊的工作環境以增加動態範圍等等。透過通用的高頻寬(High Bandwidth)、低功耗介面來支援不同的像素架構,攝影機製造商能充分運用現有的零件庫存並加速新攝影機設計的上市時間,降低設計成本和風險。

圖1:X-Class 平台——演進的設計功能

 

X-Class 平台的首兩款元件:XGS 8000XGS 12000

X-Class系列產品中的首兩款元件是XGS 12000和XGS 8000,基於先進的3.2 µm全局快門CMOS像素,具備卓越的成像性能、高影像均勻性和低雜訊等特性,為機器視覺、智慧交通系統和廣播成像等應用提供高性能成像功能。

圖2:XGS 12000

 

XGS 12000以1英寸光學格式提供1200萬像素(4096 x 3072像素)解析度,為現代機器視覺和檢測應用提供所需的成像細節和性能。該元件提供兩種速度等級:一種是透過提供高達每秒90影格率(Frame Per Second;FPS )的全解析度速度,充分運用10GigE介面;另一種更低價格版本則以全解析度提供27 fps,與USB 3.0電腦介面的可用頻寬保持一致。

 

XGS 8000以1/1.1英寸光學格式提供4k/UHD(4096 x 2160像素)解析度,亦提供兩種速度等級(130和75 fps),使此元件成為廣播應用的理想選擇。

表1:多速度等級、介面匹配不同應用需求

 

兩款元件的封裝尺寸均結合低散熱,是X-Class介面的低電壓、低功耗架構所打造的,能夠完全相容緊湊的29 x 29 mm2攝影機設計。

 

首兩款像素:3.2 µm全局快門

隨著解析度的上升,若像素尺寸不變,那麼影像感測器晶片尺寸必然會越做越大,與其搭配的鏡頭價格昂貴,將會增加整體成本。因此市場需要減小像素尺寸。而XGS 8000和XGS 12000基於3.2 µm全局快門CMOS像素,能在同樣的光學尺寸下提高解析度,且先進的像素設計確保不會因像素更小而影響影像品質,甚至提供更優的性能。

表2:與PYTHON 12k相比,XGS 12000像素尺寸減小但影像品質更優

 

此外,在機器視覺應用中,成像目標通常都是處於運動狀態,若採用捲簾快門,其逐行曝光的方式可能會產生動態殘影,而XGS 8000和XGS 12000採用全局快門設計,所有像素點於同一時間捕捉影像數據,從而確保捕捉移動物體而無移動假影(Motion Artifact)。

 

完整的評估套件支援設計人員的攝影機新設計

安森美半導體提供評估套件支援完整的元件評估,包含靜態影像、影片捕捉、感興趣區域(Region of Interest;ROI)讀取及自定義測試功能的配置等,以幫助設計人員開發結合全新影像感測器的攝影機新設計。

 

總結

隨著機器視覺檢測和工業自動化等工業成像應用的需求持續推動,由於此市場不斷增長,影像感測器的設計和性能亦必須不斷演進。安森美半導體是全球領先的成像晶片供應商,亦是唯一同時具備工業級CCD和CMOS技術的唯一供應商,全面的產品線適用於不同應用場景,且產品具有高解析度、高影格率、低雜訊、小尺寸與低功耗等優勢。公司最新推出的X-Class CMOS平台,使單一攝影機設計支援多種解析度和畫素,增強工業攝影機設計靈活性,簡化供應鏈物流,加速設計進程,平台首兩款元件採用先進的3.2 µm全局快門CMOS像素,並提供多種速度版本,滿足機器視覺、ITS和廣播成像等不同應用所需的性能和成像功能,在性能、能效、時間和成本等多方面為攝影機製造商帶來明顯的競爭優勢。