47.5Mp高分辨率、高速全局快門CMOS成像傳感器

　　簡介

　　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(yōu)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。

　　圖1：CMV50000前視圖

　　艾邁斯半導體當前的CMV系列產品采用了獲得專利的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20Mp的多種分辨率。最近，艾邁斯半導體該系列產品又增加了一款新產品：CMV50000。CMV50000是一款47.5Mp的成像傳感器，在全分辨率35mm光學尺寸(36.43×27.62mm)下幀率可達30fps。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4.6μm 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(8.8e)和高線性滿阱電荷(14500e)，動態(tài)范圍可達64dB。低暗電流(60℃ 時為66e/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(xiàn)數(shù)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，F(xiàn)WC可提升至58ke左右，從而使信噪比增加一倍，高亮區(qū)細節(jié)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(fā)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30fps，輸出更小的窗口時可獲得更高幀率。

　　由于該傳感器支持35mm光學格式，因此您可以使用標準攝像頭光學元件以簡化系統(tǒng)設計。

　　圖2：CMV50000框圖

　　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

　　高分辨率、全局快門和高幀率使CMV50000成為高端機器視覺應用的理想之選。借助高分辨率，您可以選擇提高總檢測區(qū)域大小或選擇獲取更多可見細節(jié)。與艾邁斯半導體4Mp CMV4000傳感器相比，CMV50000的檢測區(qū)域大小或細節(jié)能力提高了約12倍。

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

　　FPD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4K和8K UHD)、像素密度也更高，這些都促使高分辨率檢測系統(tǒng)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(lián)網(wǎng))的數(shù)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(shù)量不斷增加，新技術(OLED、量子點、微型LED等)也迅速涌現(xiàn)，并且要求檢測系統(tǒng)具有更高的性能。

　　47.5Mp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8K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4K或2K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30fps的高幀率，有助于縮短測試時間。現(xiàn)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(tǒng)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(tài)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(xiàn)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(jié)。

　　航拍成像

　　CMV50000能發(fā)揮其出眾性能的另一個應用領域是航拍成像。47.5Mp高分辨率的35mm大尺寸成像格式可以使無人機實現(xiàn)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(fā)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(xiàn)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30fps，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℃，因此適用于惡劣環(huán)境下的航拍成像。

　　視頻/廣播

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

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

　　低噪聲、高動態(tài)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(tài)影像。

　　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(tǒng)中，以便全面評估成像傳感器。

　　圖3：CMV50000 EVK傳感器評估板

　　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(xiàn)。當然，大家普遍認為像元尺寸減小，性能肯定也會降低。艾邁斯半導體致力于在縮減像元尺寸的同時保持高性能。這將為實現(xiàn)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(huán)境中。

　　簡介

　　Pieterjan Daelemans是艾邁斯半導體負責面掃描成像傳感器的高級應用工程師。他擔任該職位已有六年，在成像傳感器及其應用方面積累了深厚的技術知識。