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2018年06月21日 | 全局快门图像传感技术满足动态视觉市场不断演变的需求
2018-06-21
当前应用版本的不断演变和大量令人兴奋的新兴应用正在创造对高性能图像传感器的巨大需求。能够很好地说明这一点的是，到2020年图像传感设备复合年增长率预计接近8％。鉴于包括各类小型、便携或“移动”产品的增长趋势，对于从非常差到极亮的光线条件范围下，能够捕获动态场景中的清晰图像的传感器的需求也在日益增加。
鉴于它们的操作性质，基于卷帘快门的传统设计可能难以达到所需的图像质量。与此同时，全局快门设计则能够捕捉高质量图像，而无任何拖尾、弯曲或伪影。
安森美半导体的AR0144等最新的器件也包含增加更多图像传感应用的实用性和多功能性的功能和特性。在一些激动人心的终端产品的驱动下，全局快门图像传感器市场正在迅速崛起。设计人员需要高性能，对传感器有严格的工作参数，从而为其提供可在所有光照条件下，以及在静态和移动环境中都能工作的小而高功能方案。
随着物联网（IoT）等技术的进步，我们的世界变得更加智能且日益互联。机器也需要更多地了解周围环境。因此，有数十亿互联的传感器报告温度、湿度、光线以及其他各种参数，让智能设备能够代表我们做出决定并控制事物。
虽然进步迅速而显著，但传统的传感通常只能以严格定义的方式测量一个参数。当我们转向下一代技术革命时，图像传感器即将脱颖而出，为我们的世界提供更为复杂的传感和记录。
图像传感市场已经非常庞大，预计还将迅速增长。领先的研究公司Mordor Intelligence (www.mordorintelligence.com) 预计，2018年全球图像传感器市场将达到126.7亿美元，并将从2014到2020年平均每年增长7.69％。
随着技术的演进和完善，用于图像传感器的新应用也在不断增加；即使在传统市场也看到了需求。条形码无处不在，但是对于消费或商业应用中的图像传感器来说，要在低于理想光照条件下更加快速地做到高度精准地读取条形码并非易事。无人机、增强现实和虚拟现实（AR / VR）等全新应用都依赖图像数据来避免冲撞，采集手势输入信息或精确的3D地图场景，以提升用户体验。
高端和专业安防摄像机技术正变得越来越复杂，并将显著地受益于最新图像传感器带来的视觉技术提升。安防摄像头不仅能够在微光照条件下工作，新应用也在不断被开发，由于技术的进步，即使是正在在高速行驶的车辆，车牌也能被读取。
传感器中的快门技术
在CMOS图像传感器中，可提供两种类型的快门——卷帘快门和全局快门。卷帘快门自上而下逐步扫描图像，依次曝光每一行。
图1：卷帘快门自上而地逐行曝光传感器
虽然这种方法是模仿大多数摄像机的机械快门，但有一定的局限性（以及益处）。如果配有传感器的摄像机和所捕获的场景都相对静止，那么就不会有任何问题。但是，由于自上而下移动的扫描需要一定的时间（随着更多的像素添加到传感器，所需的时间也越长），那么如果在此期间摄像机或拍摄主体移动，则会导致图像失真。这就是为什么旋转的飞机螺旋桨照片看起来很扭曲。卷帘快门图像传感器的优点是更高的分辨率、更小的像素以及最新的像素技术能够以成本效益的方案驱动更高的整体图像质量。
全局快门通过记录将整个图像整合并复制到存储区时所捕获的光线水平，避免图像拖尾或弯曲，从而抵消摄像机移动或场景内移动所产生的任何影响。
图2：使用卷帘快门的模糊的风扇图像（左图）和使用全局快门的非模糊版本（右图）
随着捕获移动对象的不失真图像的需求增长（例如无人机和AR / VR应用），全局快门意味着完全具有代表性的、清晰的场景捕获将成为可能。
考虑到许多视觉传感器应用的移动和电池供电特性，小尺寸、重量轻和低能耗工作将成为关键的成功因素。除此之外，还需要在较差光照下（包括微光照水平、以及同一帧中极端明暗情况）能够精准地捕获图像 。
具有全局快门技术的图像传感器用于现代应用
安森美半导体近期推出了AR0144，它是一款1/4英寸、1.0百万像素（Mp）（1280H x 800V）的CMOS数码图像传感器，可捕获清晰、准确的图像，明亮和微光条件下都不会出现伪影。3.0um像素传感器采用全局快门，满足在静态和移动场景应用中准确和快速的捕获影像的严格要求。其高快门效率和信噪比充分降低重影和噪音影响，提高了整体图像质量。
在条形码扫描仪等静态应用中，AR0144通过确保初次扫描来保证快速的结果。在无人机等电池供电的动态应用中，该传感器的低能耗特性（<200mW）能够延长充电时间间隔，其成像性能可提供更佳的环境映射，避免严重碰撞。快速的性能和准确的成像让AR/VR应用能够实时渲染场景，从而提升用户体验。
AR0144具有高度的灵活性，可选择主图像/视频、触发帧/单帧以及自动触发操作模式。曝光时间通过双线串行接口进行控制，列框选尺寸和消隐时间配置令分辨率和帧率（全分辨率时达到60fps）可调整，以覆盖应用所需的任何兴趣区（ROI）。
该传感器提供单色和彩色版本。由于像素尺寸减小，传感器比前几代产品缩小了50％。5.6 mm x 5.6 mm芯片尺寸或裸片格式可选，使超小方案能够轻松地嵌入空间受限的手持或便携设备。
总结
随着传感转向完全基于视觉的系统，使得互联设备能够真正“看到”并解读其环境，全局快门技术代表了在产出高质量图像方面迈出的重要一步，即使在具有挑战性的条件下也是如此。
市场永远不会停滞不前，而且对更高分辨率传感器的需求将不断增长，以解决更多细节问题。安森美半导体就是在这一领域持续创新的一个例子，安森美半导体正在开发更为先进且功能全面的全局快门传感器。
史海拾趣
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