Intro to sensor technology

了解数字图像芯片

图像芯片是所有机器视觉相机最重要的组件之一。
虽然芯片的功能是将光信号转换为电信号,但并非所有芯片都是相同的。
了解更多关于图像芯片的工作原理以及它们如何分类的知识,
将帮助您更好地选择合适的产品。

了解数字图像传感器

芯片可以多种方式分类,如其结构类型(CCD或CMOS)、频谱类型(彩色或黑白)或快门类型(全局或卷帘快门)。它们也可以按照分辨率、帧率、像素大小和芯片格式进行分类。了解这些术语可以帮助人们更好地了解哪种芯片最适合其应用。

无论其分类如何,图像传感器的用途相同;将传入的光(光子)转换为可以查看、分析或存储的电气信号。 图像传感器是一种固态设备,是机器视觉相机中最重要的组件之一。 每年制造新品种的传感器,改进传感器尺寸、分辨率、速度和光灵敏度。 在这篇文章中,我们讨论了机器视觉相机中的一些图像传感器技术的基本知识,以及这些技术与它们的分类之间的关系。

图像芯片组件

下面是典型的CMOS图像芯片。芯片保存在带保护玻璃的封装中。该套件具有连接芯片到PCB的触点垫。

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Sensor ceramic package

不同的传感器采用不同的封装。 例如,上述照片是带陶瓷PGA封装的传感器。

Image Sensor Cutout

以上:CMOS图像芯片的图表

固态图像芯片包含由光敏感元件、微镜头和微电元件组成的像素。 芯片由半导体公司制造,切断晶片。 电线连接将信号从模具传输到芯片背面的触点垫。 该包装可保护传感器芯片和导线纽带免受物理和环境伤害,提供热分散性,并包括用于信号传输的互连电子设备。 包装前面的透明窗口称为封面玻璃,可保护传感器芯片和线缆,同时允许光线到达光线敏感区域。

硅片图像芯片

芯片模具在硅晶片上成批生产。 晶圆被切割成许多片,每一块都包含一个芯片传感器模具。芯片模具尺寸越大,每个晶圆的芯片数量就越少。这通常会导致更高的成本。晶圆上的单个缺陷将更有可能影响较大的图像芯片。

Sensor wafers

以上:通过精密切割从晶圆上移除传感器模具

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Silicon image wafer从裸硅晶片到单个图像传感器件的制造过程可能需要几个月。

相机中的芯片功能

在相机系统中,图像传感器接收通过镜头或其他光学聚焦的事件光(光子)。 根据传感器是CCD还是CMOS,它会将信息作为电压或数字信号传输到下一阶段。 CMOS传感器将光子转换为电子,然后转换为电压,然后使用片内模拟数字转换器(ADC)将光子转换为数字值。

CMOS Image sensor pipelin

以上:典型的CMOS相机设计

根据相机制造商的不同,一般设计和使用的组件会有所不同。这种布局的主要目的是将光信号转换成数字信号,然后对其进行分析,以触发今后的一些行动。 消费类相机将具有额外的组件,用于图像存储(存储卡)、查看(嵌入式液晶显示器)和控制旋钮和开关,而机器视觉相机则没有。

CCD和CMOS芯片之间的差异

CCD芯片(充电情侣设备)可同时启动和停止所有像素的曝光。 这被称为全局快门。 然后,CCD将这种暴露电荷移至水平移位寄存器,然后将其发送至浮动扩散放大器。注:2015年,索尼宣布计划到2026年停止生产《防治荒漠化公约》并停止支持《防治荒漠化公约》。

How a CCD Sensor works

Sony CCDs

CCD芯片特性:
• 全局快门
• 低噪声
• 高动态范围
• 中范围帧率
• 图像可以分散

过去,CMOS芯片(互补金属-氧化物半导体)只能一次开始和停止接触一排像素,即称为卷帘快门。随着时间的推移,这已经发生了变化,现在市场上已有许多全球快门CMOS芯片。CMOS芯片对每个像素列使用较小的ADC,这样便比CCD有更高的帧率。多年来,CMOS芯片经历了几次重大改进,使大多数现代CMOS芯片在图像质量、图像速度和整体价值方面与CCD相等或优于CCD。

CMOS Sensor

Sony CMOS examplesCMOS芯片特性:
• 全局快门和卷帘快门
• 低噪声至极低噪声
• 高至极高的动态范围
• 超高的帧率
• 图像没有弥散现象

黑色/白色和颜色传感器

对于可见光芯片(非红外、紫外线或X射线),有两种主要类型:彩色和黑白。彩色芯片有一个额外的层,位于微镜头下方,称为颜色过滤器,吸收不需要的颜色波长,使每个像素对特定的颜色波长敏感。 对于黑白芯片,没有颜色滤波器,因此每个像素对所有可见光波长敏感。

Mono vs color sensor with bayer pattern diagram

左上方:黑白芯片蓝图    右上方:带拜耳模式的彩色芯片蓝图

对于右上方所示的彩色芯片示例,使用的颜色筛选器阵列是拜耳滤波器模式。 此滤波器模式使用50%绿色、25%红色和25%蓝色阵列。虽然大多数彩色相机使用拜耳滤波器模式,但其他滤波器模式具有不同的模式安排和RGB安排.

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Dual Micro lens for pixels

对于某些芯片,特别是像素尺寸较小的芯片,可使用额外的微镜片帮助引导光子进入光电二极管。

图像传感器格式(尺寸)

图像芯片有不同的格式类型(也称为芯片大小或类型)和封装。分辨率和像素大小将决定一个芯片的整体大小,该芯片的分辨率或像素大小均高于较小的芯片。了解芯片格式对于选择镜头和相机光学非常重要。所有镜头均专为特定芯片格式和分辨率而设计。请注意,芯片格式仅描述芯片的区域,而不是整个芯片封装。

以上: 芯片格式尺寸(从左到右):  1/6″, 1/3″, 2/3″, 1″

以下是以2/3”格式分类的CMOS芯片示例。 但是,模具的实际对角线尺寸只有0.43”(11毫米)。当前芯片“英寸”类型不是芯片的实际对角大小。虽然看起来芯片格式类型的定义有些模糊,但实际上是基于旧的摄像头管,其中英寸测量指的是视频管的外部直径。下图显示了最常见的芯片格式类型及其实际芯片对角线尺寸(毫米)。

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Video camera tube

下面是一个旧的摄像头管的例子。 这些老管的直径可作为当今现代传感器的传感器格式分类。

Actual sensor size

传感器格式类型和实际大小

图像传感器格式(类型)1"2/3"1/1.8"1/3"
实际对角线长度(mm)16 mm11 mm8.9 mm~6 mm

传感器像素大小

像素尺寸以微米(µm)测量,包括光电二极管和周围电子元件的整个面积。 CMOS像素由光电二极管、放大器、复位门、转接门和浮动扩散组成。 但是,这些元素可能并不总是在每个像素内,因为它们也可以共享在像素之间。 下图显示了CMOS单声道和颜色像素的简化布局。

mono vs color pixel in sensor

以上:简化的CMOS单色和颜色像素布局

通常,较大的像素尺寸更适合提高光灵敏度,因为光电二极管有更多区域可接收光线。 如果传感器格式保持不变,但分辨率增加像素大小必须降低。 虽然这可能会降低传感器的灵敏度,但像素结构、降噪技术和图像处理的改进有助于缓解这种情况。 为了更准确地了解传感器灵敏度,最好参考传感器的光谱响应(量子效率)以及其他传感器性能结果。

单色&彩色光谱响应

由于单声道传感器和彩色传感器之间的物理差异,以及传感器制造商的技术和像素结构之间的差异,不同的传感器会感受到不同程度的光线。 更准确地了解传感器对光的敏感度的一种方法是阅读其光谱响应图(也称为量子效率图)。

下面的2个图表是同一传感器模型的单声道和颜色版本。 左侧显示单声道传感器的光谱响应和颜色传感器的右侧。 X轴为波长(nm),Y轴为量子效率(%)。 大多数机器视觉彩色相机都安装了红外切割滤波器,以阻挡近红外波长。 这可以去除图像中的红外噪声和颜色交叉,最好地匹配人眼对颜色的解释。 然而,在一些应用程序中,它可以是有益的图像没有红外切割滤波器。 红外切割滤波器是否安装,颜色传感器将永远不会像单声道传感器那样敏感。

Mono & Color Spectral Response Examples

以上:使用相同传感器系列的两个频谱响应曲线示例。
单声道传感器(左)和无红外切割滤波器的颜色传感器(右)

量子效率越高,传感器在感应光时就越好。 以上图表是基于EMVA 1288测量标准的许多性能结果之一。 EMVA 1288标准决定了如何测试和显示性能结果,以便用户能够更好地跨供应商对比和对比模型。 请访问EMVA 1288网站了解更多信息。

全局与卷帘快门

芯片的一个重要功能是其快门类型。两种主要的电子快门类型是全局快门和卷帘快门。这些快门类型在操作和最终成像结果上有所不同,特别是在相机或目标处于运动状态时。让我们详细看看他们如何工作,以及这如何影响成像。

全球快门时机

global shutter fan example

左侧的图显示了全局快门芯片的曝光时间。 所有像素同时开始和结束曝光,但读出仍会逐行发生。此时序产生非失真图像,无需摆动或扭曲。 全局快门芯片对于成像高速移动物体至关重要。

Global shutter timing chart

滚动快门定时

Rolling shutter animation

左侧的图显示了卷帘快门芯片的曝光时间。曝光时间是不同的行,随着重置和读出发生在转移的时间。如果目标或相机处于运动中,此行按行曝光会产生图像失真。 卷帘快门芯片为成像静态或慢速移动物体提供出色的灵敏度。

Rolling shutter timing chart

结论

如果您刚刚开始探索机器视觉相机世界,上述信息是了解机器视觉行业如何对芯片进行分类的良好开端。了解数字芯片中的术语和技术,将使您能够更好地确定适合您的应用的相机。例如,某些芯片规格(如像素尺寸和芯片格式)将在选择正确的镜头方面发挥重要作用。此外,随着新芯片技术的出现,如果对您的应用有利,您将获得更好的理解能力。 如果您愿意讨论您的相机要求,请联系我们具有丰富经验的Lucid销售人员

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