【導讀】在高速視覺應用的競技場中，全局快門CMOS圖像傳感器扮演著關(guān)鍵角色。當設(shè)計需要捕捉高速動態(tài)場景的方案時，僅僅關(guān)注分辨率或幀率遠遠不夠。傳感器的核心特性——尤其是其快門機制——直接決定了能否無失真地“凍結(jié)”瞬間。深入理解全局快門在高速環(huán)境下的優(yōu)勢，并權(quán)衡光學格式、動態(tài)范圍、噪聲表現(xiàn)（SNR）、像素架構(gòu)，乃至功耗、接口、HDR處理能力等綜合特性，是選擇真正匹配高速需求的圖像傳感器的必經(jīng)之路。
在高速視覺應用的競技場中，全局快門CMOS圖像傳感器扮演著關(guān)鍵角色。當設(shè)計需要捕捉高速動態(tài)場景的方案時，僅僅關(guān)注分辨率或幀率遠遠不夠。傳感器的核心特性——尤其是其快門機制——直接決定了能否無失真地“凍結(jié)”瞬間。深入理解全局快門在高速環(huán)境下的優(yōu)勢，并權(quán)衡光學格式、動態(tài)范圍、噪聲表現(xiàn)（SNR）、像素架構(gòu)，乃至功耗、接口、HDR處理能力等綜合特性，是選擇真正匹配高速需求的圖像傳感器的必經(jīng)之路。
為了幫助篩選這些規(guī)格和功能，一個重要的考慮因素是傳感器的預期應用。某些應用需要非常高的分辨率來捕捉靜止物體，而另一些應用則需要檢測快速移動的物體，并能夠再現(xiàn)"定格"效果。另一個重要的應用考慮因素是功耗要求。對于固定安裝情況下，傳感器的功耗可能并不重要。但在便攜式應用中，傳感器必須使用電池工作，因此傳感器的能效變得至關(guān)重要。
在選擇傳感器時，最合適的出發(fā)點是應用的速度，即物體移動的速度。因為這將決定所需的快門類型。在數(shù)字圖像傳感器領(lǐng)域，主要只有兩種選擇：卷簾快門和全局快門。
圖像傳感器注意事項
卷簾快門
數(shù)字圖像傳感器是按行排列的像素陣列。使用卷簾快門圖像傳感器時，陣列中的每一行從陣列頂部到底部依次逐行曝光。換句話說，相鄰行的曝光時間略有不同（稱為行時間），相鄰行之間的時間差約為10 微秒。
與卷簾快門完全不同的是，全局快門同時曝光陣列中的每個像素。這些傳感器必須具備帶有"存儲節(jié)點"的像素，能夠在整個傳感器讀出過程中存儲電荷。卷簾快門和全局快門各有利弊。
與全局快門相比，卷簾快門更具成本效益且更易于實現(xiàn)。在全局快門傳感器中，存儲節(jié)點容易受到雜光的影響，因此噪聲往往會更高。此外，存儲節(jié)點位于像素旁邊，這給像素尺寸帶來了限制。與此相對應，卷簾快門的缺點是在捕捉快速移動物體時容易有運動偽影。
由于卷簾快門陣列采用按順序曝光的方式，因此在拍攝移動物體時會出現(xiàn)空間失真。同樣，由于陣列的不同區(qū)域是在不同時間（可能是在不同的光照條件下）拍攝的，它們還可能受到不相關(guān)光照的影響。
因此，卷簾快門陣列在捕捉移動物體方面表現(xiàn)不佳，但在靜態(tài)的高分辨率應用中卻是一個極佳的選擇。
全局快門
全局快門適用于卷簾快門表現(xiàn)不佳的場景，包括快速移動的物體，尤其是高角速度的物體。全局快門表現(xiàn)出色的應用包括增強視覺(AV)、虛擬現(xiàn)實(VR)、機器視覺(MV) 以及任何存在高振動的環(huán)境，如條形碼掃描儀和機器人應用。
全局快門還具有其他優(yōu)點：由于整個陣列是同時曝光的，因此全局快門可以直接與其他全局快門或光源（如閃光燈）同步。由于全局快門無需處理不相關(guān)的光照，因此也更容易實現(xiàn)自動曝光控制。
全局快門性能考慮因素
評估全局快門性能的第一步是參考其已展示的指標。在評估全局快門傳感器時，需要考慮以應用為導向的指標和以性能為導向的指標。應用導向指標可幫助您選擇特定產(chǎn)品系列中適合特定應用的傳感器，而性能導向指標則可幫助您比較不同制造商的產(chǎn)品。
最簡單的方法是從應用導向指標入手。由最終用途決定的五個主要指標如下：
1. 分辨率
2. 光學格式
3. 全局快門效率（GSE）
4. 幀率
5. 功耗
這五項指標的優(yōu)先級將根據(jù)最終用途的具體要求而有所不同。例如，一個高分辨率的應用可能需要200萬像素（MP）的分辨率和1/2.8英寸的光學格式，而一個低分辨率的應用可能只需要VGA分辨率和1/8英寸的光學格式。
幀率
幀率是以每秒幀數(shù)（frames per second, fps）來衡量的，它表示傳感器在一秒鐘內(nèi)可以拍攝的圖像數(shù)量。拍攝移動較快的物體時需要較高的幀率，以避免模糊。
全局快門效率（GSE）
如上所述，GSE是一個比率，表示全局快門抑制雜光的能力。它通常是在特定波長和光圈（f/stop）設(shè)置下指定的。數(shù)值越大表示性能越好。
能效
消費類應用中的低功耗優(yōu)化在開發(fā)中至關(guān)重要，尤其是增強現(xiàn)實（AR）、虛擬現(xiàn)實（VR）和混合現(xiàn)實（MR）頭戴設(shè)備等應用。此外，自主移動機器人（AMR）和手持式條碼掃描器也是工業(yè)領(lǐng)域用電池供電設(shè)備的幾個例子。通過提高這些設(shè)備的能效，可以顯著延長其工作壽命，從而減少充電頻率并改善整體用戶體驗。其余指標以性能為導向，可用于比較不同制造商的產(chǎn)品。
信噪比(SNR)
信噪比以分貝（dB）為單位，并規(guī)定為一個最大值。它是衡量傳感器在微小（即低光）信號情況下性能的一種方法。數(shù)值越大，性能越好。信噪比最大值SNRmax真實反映了線性滿阱（linear full well，LFW），或者說基本上是一個像素所能捕捉到的光子數(shù)量。
動態(tài)范圍
動態(tài)范圍也以dB 為單位，表示最大可測量輸入信號與最小可測量輸入信號（即噪聲水平）之比。 它表示傳感器在同一場景中處理不同強度輸入信號的能力。分貝值越高越好。隧道是需要高動態(tài)范圍場景的良好示例，因為隧道內(nèi)部可能較暗，而外部光線明亮。傳感器需要能夠適應在同一場景中的這兩種情況。
除了性能指標外，某些應用可能要求傳感器具有某些特性，以便能夠執(zhí)行特定功能或具有獨特的能力。 并非所有的全局快門傳感器都具備這些功能。應用的要求將決定需要哪些功能，以及可以考慮哪些傳感器。
同步傳感器
全局快門一次曝光整個傳感器陣列的優(yōu)點之一是，陣列曝光的瞬間可與其他事件（如其他傳感器和閃光燈）精確同步。
通過同步傳感器的"觸發(fā)"模式，可以控制閃光燈進行精確的主動照明，或?qū)Χ嗯_攝像頭進行同步，以實現(xiàn)立體或?qū)捚聊慌臄z。
嵌入式自動曝光
自動曝光功能使得傳感器能夠根據(jù)給定的光照條件自動控制增益和曝光。自動曝光是傳感器適應動態(tài)光照條件的基本功能。
通過將這一功能直接嵌入到傳感器中，可以加快曝光控制，這樣就能實現(xiàn)實時響應，而依賴主機控制則響應速度較慢。對于大多數(shù)高速應用來說，嵌入式自動曝光是必不可少的。
場景切換
場景切換功能使傳感器能夠根據(jù)不同的分辨率、增益、曝光和幀率，快速切換設(shè)置，以適應不同的成像場景。 在許多傳感器中，這些 "場景"都已存儲，并可在單個寄存器設(shè)置中動態(tài)更改。
可編程和可切換的感興趣區(qū)（regions of interest，ROI）
圖像中的區(qū)域是相關(guān)的像素集合，主要用于物體解析。ROI使傳感器能夠通過過濾掉其他部分來聚焦于某個特定區(qū)域。這是一種優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸和處理的方法。可編程的ROI 使實時計算機視覺應用成為可能。
總結(jié)來說，應用導向指標、性能導向指標和特定功能可以結(jié)合使用，以幫助從一系列傳感器中選擇特定的全局快門傳感器，并確定符合最終使用要求的傳感器制造商。
Hyperlux SG 系列全局快門傳感器
安森美（onsemi）開發(fā)了名為Hyperlux SG 的高性能小尺寸全局快門傳感器系列，產(chǎn)品包括ARX383、AR0145和AR0235。Hyperlux SG 系列傳感器將業(yè)界領(lǐng)先的全局快門效率（GSE）與低功耗操作相結(jié)合，是便攜式、高振動應用的理想之選。
圖 1 Hyperlux SG 圖像傳感器系列
Hyperlux SG系列采用了一種新穎且創(chuàng)新的全局快門像素設(shè)計，針對準確、快速地捕捉運動場景進行了優(yōu)化。無論在弱光還是明亮的場景下，都能拍攝出清晰、低噪點的圖像。
Hyperlux SG 傳感器系列具有以下特性：
· 水平/垂直鏡像、窗口化和像素合并
· 可編程感興趣區(qū)域（ROI）
· 用于同步的片內(nèi)觸發(fā)模式
· 片上自動曝光
· 內(nèi)置閃光燈控制
· 場景切換
· 跳行和跳列模式的靈活控制
傳感器組合的分辨率從VGA（640 x 480）到 230萬像素（1920 x 1200）不等，光學格式從1/8 英寸到1/2.8 英寸不等，幀率高達每秒120 幀，適用于各種高速成像應用。每種規(guī)格與其他同類產(chǎn)品相比都具有優(yōu)勢，正是由于它們結(jié)合了卓越的性能和功能，才使得Hyperlux 系列傳感器在市場上獨樹一幟。這些傳感器非常適合高速應用，包括條形碼掃描、機器視覺、AMR、AGV、AV/VR/MR、無人機和3D 掃描。
圖 2. Hyperlux SG 應用領(lǐng)域
為了促進產(chǎn)品教育和系統(tǒng)設(shè)計，還提供了一個全面的開發(fā)平臺，可實現(xiàn)快速系統(tǒng)開發(fā)。它包括完整的測試功能，可在設(shè)計前對產(chǎn)品進行評估，并提供在設(shè)計階段使用的參考設(shè)計。
全局快門傳感器是高速圖像應用的最佳選擇。一旦選擇了快門類型，仍有多種規(guī)格和功能可供選擇，以確保傳感器適合預期應用。
在評估全局快門傳感器時，必須始終牢記的一個重要考慮因素是全局快門效率（GSE）。 如果沒有足夠高的GSE，所有其他規(guī)格加在一起仍可能在圖像中產(chǎn)生不可接受的運動偽影。針對要求低功耗、高性能和高GSE 的應用，安森美開發(fā)了Hyperlux SG 系列全局快門傳感器。
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