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用于新興HMI與MEI應(yīng)用的新型成像器解決方案
新興HMI與MEI應(yīng)用需要低成本、具有大批量生產(chǎn)特性以及先進(jìn)功能的新型成像器。本文結(jié)合Micron公司的CMOS圖像傳感器MT9V022對(duì)這種成像器的應(yīng)用以及新特性進(jìn)行了討論。
在過去25年里，圖像傳感器主要用于機(jī)器視覺等機(jī)器－機(jī)器交互(MMI)應(yīng)用，或者用于替代膠片的應(yīng)用，如攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)或手機(jī)相機(jī)。**圖像傳感器適用于MMI產(chǎn)品，而成本較低的消費(fèi)級(jí)圖像傳感器則主要用于產(chǎn)生吸引人眼球的圖像。隨著**MMI應(yīng)用對(duì)產(chǎn)品性能、速度和價(jià)格要求的提高， DSP處理能力和圖像傳感器性能的巨大差異以及產(chǎn)品質(zhì)量、價(jià)格上的兩極分化，正繼續(xù)加大這兩個(gè)市場(chǎng)之間的距離。但是，新型人－機(jī)交互(HMI)與機(jī)器－環(huán)境交互(MEI)應(yīng)用的出現(xiàn)，需要結(jié)合了低端產(chǎn)品的低成本、大批量生產(chǎn)特性與**產(chǎn)品的眾多先進(jìn)功能的圖像傳感器。這為HMI及MEI應(yīng)用的圖像傳感器創(chuàng)造出一個(gè)中間地帶，并提供一個(gè)機(jī)遇以便能將這些成像器與正在推出的功能更強(qiáng)大、成本更低的新型DSP相結(jié)合。
圖1：NIR條件下CCD與CMOS圖
像質(zhì)量的對(duì)比，Micron開發(fā)
出在85°C時(shí)的暗電流小于
10(飽和信號(hào)的成像器。
**傳感器領(lǐng)域：大多數(shù)機(jī)器視覺應(yīng)用利用攝像機(jī)控制MMI。在工廠，時(shí)間就是**，各種機(jī)器必須能盡可能快地協(xié)同工作。用于MMI的高速成像器一般以數(shù)百到數(shù)千幀/秒(fps)的速度工作，當(dāng)以這種速度工作時(shí)，用于收集光的時(shí)間很短，為解決光通量減少的問題，通常需要高強(qiáng)度照明，而為獲得**的圖像，傳感器必須具有12μm至25μm的像素尺寸以及比消費(fèi)類應(yīng)用更寬的動(dòng)態(tài)范圍。
低端傳感器領(lǐng)域：對(duì)適合大批量應(yīng)用的消費(fèi)級(jí)成像器而言，價(jià)格是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素，并因此推動(dòng)消費(fèi)級(jí)成像器在能產(chǎn)生可打印成清晰照片的圖像的同時(shí)，其像素尺寸也持續(xù)減小。現(xiàn)在，用于膠片替代應(yīng)用的消費(fèi)類傳感器具有2μm至6μm大小的像素，這么小的像素要求很低的噪聲基底，以產(chǎn)生可接受的圖像。圖像質(zhì)量以是否能吸引人的眼球來判斷，在給定標(biāo)準(zhǔn)和顯示限制的情況下，通常每個(gè)色彩通道有8位數(shù)據(jù)就足夠。在速度方面，膠片替代應(yīng)用通常不需要捕捉被人感覺為“實(shí)時(shí)”的圖像(速度為24fps至30fps)。
HMI與MEI應(yīng)用很少需要捕捉速度超過100fps的圖像。一般來說，大多數(shù)應(yīng)用的圖像速度都等于或稍微超過被人感覺為“實(shí)時(shí)”的速度。
對(duì)圖像傳感器的新要求
目前人們正在圍繞“人如何與自動(dòng)化系統(tǒng)交互以及機(jī)器如何與環(huán)境交互”來開發(fā)新的產(chǎn)品與市場(chǎng)。這些市場(chǎng)需要普通替代膠片傳感器的大批量生產(chǎn)、低成本特點(diǎn)以及MMI傳感器的高性能。一些新型HMI與MEI應(yīng)用包括車輛占位與位置探測(cè)、司機(jī)睡意探測(cè)、汽車對(duì)駕駛員物理尺寸的自適應(yīng)、路線跟蹤、防撞、道路標(biāo)識(shí)閱讀以及風(fēng)檔雨刮控制等。其它應(yīng)用還包括自動(dòng)門與電梯控制、生物測(cè)定門禁控制、條碼讀取以及消費(fèi)類機(jī)器人技術(shù)等。
這些新型HMI與MEI應(yīng)用都要求使用可在一定照明、溫度及環(huán)境條件下工作的圖像傳感器。在裝有由傳感器控制的**氣囊的汽車中，**系統(tǒng)必須能晝夜工作，在這種情況下使用近紅外(NIR)傳感器將非常理想。
自從固態(tài)存儲(chǔ)器面世，溫度飄移就帶來了泄漏的問題。同樣，泄漏電流也是圖像傳感器的一個(gè)關(guān)鍵問題，因?yàn)樗且粋€(gè)被稱為“暗電流”的參數(shù)的重要組成部分。暗電流是像素在整合期間所獲能量的主要部分(并非來自光子)，溫度每上升5°C至8°C，通常這個(gè)噪聲參數(shù)便會(huì)增加一倍。在溫室擁有較低的暗電流對(duì)于傳感器是否能在更高溫度上工作非常關(guān)鍵。
所需的新特性
目前的圖像傳感器已不能滿足新應(yīng)用的要求，因此業(yè)界正在生產(chǎn)新的中檔圖像傳感器來滿足HMI與MEI市場(chǎng)(尤其是新興的汽車市場(chǎng))的更高要求。這些新型圖像傳感器具有很高的分辨率和速度，可在極端條件下工作并可使用NIR照明。此外，在傳統(tǒng)的替代膠片圖像傳感器當(dāng)中，這些新型傳感器的成本也比較低。
增強(qiáng)的NIR照明使傳感器不僅能在非受控環(huán)境下工作，而且還能捕捉同一場(chǎng)景中很暗與很亮區(qū)域的圖像。像素可以選擇以獲得對(duì)光的單斜率線性響應(yīng)或者分段線性響應(yīng)，與光呈分段線性響應(yīng)關(guān)系的像素可提供多達(dá)4種線移(linear-shifted)斜率。實(shí)際上，光能量被壓縮以適合同一像素裝載容量，其結(jié)果是處理器可同時(shí)看到隧道的“內(nèi)外情景”。
中檔成像器還具有雙緩沖全局快門(global shutter)功能。在每一個(gè)像素中，光敏緩沖器與光屏蔽緩沖器互相配合，工作的時(shí)候，每一個(gè)光敏緩沖器都將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到光屏蔽緩沖器并復(fù)位，當(dāng)光屏蔽緩沖器將數(shù)據(jù)傳輸給一個(gè)像素時(shí)，光敏緩沖器記錄下一幀圖像。這樣可像快照一樣捕捉圖像，省去了旋轉(zhuǎn)快門等圖像捕捉部件。此外，因?yàn)閮蓚€(gè)緩沖器可同步工作，所以傳感器無需等待圖像讀出即可開始捕捉下一幀圖像。
新型成像器解決方案
Micron的MT9V022型CMOS圖像傳感器是一種專門針對(duì)汽車市場(chǎng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，它不僅擁有目前高速產(chǎn)品線的固有特性，而且還具有消費(fèi)級(jí)成像器的大批量、低噪聲以及價(jià)格優(yōu)勢(shì)。
MT9V022的分辨率能提供750列的寬水平視角和480行的標(biāo)準(zhǔn)行緩沖器尺寸。全分辨率時(shí)，傳感器可以60fps的速率工作；而當(dāng)分辨率較低時(shí)，工作速率將超過200fps，這使它能很好地與ADI Blackfin等低成本、高性能DSP進(jìn)行接口。MT9V022還具有增強(qiáng)的NIR響應(yīng)，一般的消費(fèi)級(jí)傳感器在850nm時(shí)的NIR靈敏度為10( QE，而MT9V022接近40( QE，這使其能工作在非受控環(huán)境中。由于許多帶有很小攝像頭的HMI與MEI應(yīng)用都工作在非受控環(huán)境下，所以成像器必須能在高溫環(huán)境下工作。Micron公司具有低泄漏存儲(chǔ)器方面的專長(zhǎng)，這使他們能夠開發(fā)出在85°C時(shí)的暗電流小于10(飽和信號(hào)的成像器(見圖1)。
Micron新型圖像傳感器將所有必需特性集成在一個(gè)基于6μm像素的陣列中，具有自動(dòng)曝光、立體同步、區(qū)域增益及區(qū)域曝光加權(quán)等特性，可做成一個(gè)很容易實(shí)現(xiàn)的1/3英寸標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。
通過將Micron MT9V022這樣的產(chǎn)品與目前使用的處理器及魯棒的場(chǎng)景理解算法相結(jié)合，明智的開發(fā)商有望在數(shù)十億美元的HMI與MEI應(yīng)用新市場(chǎng)中占有關(guān)鍵份額。
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