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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)。高端圖像傳感器適用于MMI產(chǎn)品，而成本較低的消費級圖像傳感器則主要用于產(chǎn)生吸引人眼球的圖像。隨著高端MMI應(yīng)用對產(chǎn)品性能、速度和價格要求的提高， 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、價格上的兩極分化，正繼續(xù)加大這兩個市場之間的距離。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)特性與高端產(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)造出一個中間地帶，并提供一個機(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)量的對比，Micron開發(fā)
出在85°C時的暗電流小于
10(飽和信號的成像器。
高端傳感器領(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，時間就是金錢，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，用于收集光的時間很短，為解決光通量減少的問題，通常需要高強(qiáng)度照明，而為獲得精確的圖像，傳感器必須具有12μm至25μm的像素尺寸以及比消費類應(yīng)用更寬的動態(tài)范圍。
低端傳感器領(lǐng)域：對適合大批量應(yīng)用的消費級成像器而言，價格是一個關(guān)鍵的考慮因素，并因此推動消費級成像器在能產(chǎn)生可打印成清晰照片的圖像的同時，其像素尺寸也持續(xù)減小?，F(xiàn)在，用于膠片替代應(yīng)用的消費類傳感器具有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“實時”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“實時”的速度。
對圖像傳感器的新要求
目前人們正在圍繞“人如何與自動化系統(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。這些市場需要普通替代膠片傳感器的大批量生產(chǎn)、低成本特點以及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、司機(jī)睡意探測、汽車對駕駛員物理尺寸的自適應(yīng)、路線跟蹤、防撞、道路標(biāo)識閱讀以及風(fēng)檔雨刮控制等。其它應(yīng)用還包括自動門與電梯控制、生物測定門禁控制、條碼讀取以及消費類機(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安全氣囊的汽車中，安全系統(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關(guān)鍵問題，因為它是一個被稱為“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，通常這個噪聲參數(shù)便會增加一倍。在溫室擁有較低的暗電流對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(尤其是新興的汽車市場)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景中很暗與很亮區(qū)域的圖像。像素可以選擇以獲得對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。在每一個像素中，光敏緩沖器與光屏蔽緩沖器互相配合，工作的時候，每一個光敏緩沖器都將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲到光屏蔽緩沖器并復(fù)位，當(dāng)光屏蔽緩沖器將數(shù)據(jù)傳輸給一個像素時，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，因為兩個緩沖器可同步工作，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汽車市場設(shè)計的產(chǎn)品，它不僅擁有目前高速產(chǎn)品線的固有特性，而且還具有消費級成像器的大批量、低噪聲以及價格優(yōu)勢。
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，傳感器可以60fps的速率工作；而當(dāng)分辨率較低時，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)，一般的消費級傳感器在850nm時的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器方面的專長，這使他們能夠開發(fā)出在85°C時的暗電流小于10(飽和信號的成像器(見圖1)。
Micron新型圖像傳感器將所有必需特性集成在一個基于6μm像素的陣列中，具有自動曝光、立體同步、區(qū)域增益及區(qū)域曝光加權(quán)等特性，可做成一個很容易實現(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)用新市場中占有關(guān)鍵份額。
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