47.5Mp高分辨率、高速全局快门CMOS成像传感器

Pieterjan Daelemans

艾迈斯半导体

一、前言

全局快门CMOS成像传感器在当今的机器视觉领域十分常见，因为它拥有与CCD传感器和卷帘快门传感器相同的光学性能，同时还具备众多优势。全局快门CMOS传感器目前主要是在较低分辨率的市场中取代CCD和卷帘快门传感器。在高分辨率市场中，主要采用的技术仍然是CCD，但我们看到这些市场也有转向CMOS的需求，因为这可以简化摄像头设计和操作，同时提高帧率并导入全局快门技术。

二、CMV50000简介

艾迈斯半导体的CMV系列产品采用了专利 8T像素结构，具有真正的相关双采样（CDS）和流水线式全局快门，可提供从VGA到20 Mp的多种分辨率。该系列产品最新一款是CMV50000。

CMV50000是一款47.5 Mp的成像传感器，在全分辨率35 mm光学尺寸（36.43 mm×27.62 mm）下帧速可达30 fps。该传感器基于CMV早期产品的成熟技术，具有更高性能和更多功能。

CMV50000的像素阵列为7920×6004，它采用具有真正CDS的4.6 µm 8T流水线式全局快门像素结构。该传感器设计在减小像元尺寸的同时，保证性能接近甚至更好。它配备一个12位ADC，具有非常低的噪声水平（8.8 e）和高线性满阱电荷（14500 e），动态范围可达64 dB。低暗电流（60 ℃时为66 e/s）与片上黑电平校准相结合，令该传感器即使未经冷却也可以实现数秒的长曝光。

该传感器还具有片上行校正功能，可直接从传感器中获得去噪图像。启用Binning功能，FWC可提升至58 ke左右，从而使信噪比增加一倍，高亮区细节更多。CMV50000具有交叉曝光HDR模式，可同时输出多达10个窗口（ROI），精确的片上温度传感器，多种触发模式和高达4倍的模拟增益，并全部由简单的SPI寄存器进行控制。全分辨率时的帧率为30 fps，输出更小的窗口时可获得更高帧率。

由于该传感器支持35 mm光学格式，因此用户可以使用标准摄像头光学元件以简化系统设计。

三、应用

CMV50000的高分辨率、高速率和高性能使其成为高端机器视觉、平板显示器（FPD）检验、安防、航空应用以及ITS等应用的理想之选。

高端机器视觉

CMV50000具有高分辨率、全局快门和高帧率，是高端机器视觉应用的理想之选。借助高分辨率，用户可以选择提高总检测区域大小，或选择获取更多可见细节。与4 Mp CMV4000相比，CMV50000的检测区域大小或细节能力提高了约12倍。

低噪声结合4倍模拟增益，使CMV50000在低照的环境下能够显示更多的细节。由于该传感器支持35 mm光学格式，因此摄像头可采用标准光学器件。

平板显示器检测

平板显示器的检测越来越自动化，加上快速更新的新趋势和新技术，这一新兴应用亟需像CMV50000这样的高性能成像传感器。

用于电视机、智能手机以及其他设备的显示器不仅物理尺寸普遍变得更大，而且分辨率越来越高（例如4 K和8 K UHD），像素密度也更高，这些都促使高分辨率检测系统的需求快速增长。

除大屏幕显示器之外，配备微型显示器的设备（如智能手表、AR眼镜、物联网）的数量也在迅速增长。这些小尺寸显示器不容许有任何瑕疵，否则终端用户会立即注意到它们。

不单是尺寸、分辨率和数量不断增加，新技术（OLED、量子点、微型LED等）也迅速涌现，并且要求检测系统具有更高的性能。

47.5 Mp高分辨率可以检测更大尺寸、更高分辨率的显示器，或同时测试多个小尺寸显示器以缩减整体测试时间。用户可以通过1:1采样率测试整个8 K显示器的亮度均匀性，也可以通过4:1或16:1过采样率测试整个4 K或2 K显示器，以检测各显示像素点。

与同等分辨率的其他成像传感器相比，CMV50000具有30 fps的高帧率，有助于缩短测试时间。现在可以用一个更高分辨率的摄像头取代多个低分辨率的光学摄像头，从而降低系统成本。

由于瑕疵对比度低，并在显示器上形成渐变残影，该传感器的低噪声、高动态范围和高信噪比使其成为测试显示器亮度不均匀（mura）的理想之选。此外，OLED像素亮度测试也将因此获益，因为OLED每个像素点的亮度变化都不同。

出色的成像质量结合极低暗电流和黑电平校准，使该传感器能够实现长曝光，再结合4倍模拟增益，即使是泄漏到显示器外最微弱的光线也能被显示出来。CMV50000的Binning功能可使信噪比增加一倍，从而可以在高亮度图像中看到更多细节。

航拍成像

CMV50000能发挥其出众性能的另一个应用领域是航拍成像。47.5 Mp高分辨率的35 mm大尺寸成像格式可以使无人机实现更低GSD（地面采样间距）或更高拍摄高度。

在无人机上使用卷帘快门传感器，会在捕获图像时产生所谓的“果冻效应”。这是因为快门位置和图像传感器在曝光过程中发生了移动，导致获取到的图像变形失真。这种失真会影响精度，为了实现准确成像与测量，必须在后期消除失真（或采用机械快门）。CMV50000采用全局曝光，所有像素点均在同一时间开始和停止曝光，从而彻底解决了这个问题。因此，采用CMV50000的无人机可以在速度和移动上受到更少限制，同时仍能生成无失真图像。

如果不需要全画幅30 fps，也可以轻松地调低传感器的帧率，以降低功耗、带宽、存储和摄像头复杂度。

该传感器的工作温度范围为-40 ℃至70 ℃，适用于恶劣环境下的航拍成像。

视频/广播

CMV50000具有黑白和彩色（RGB）两种版本。35 mm全画幅格式以及高分辨率（＞8 K UHD）使其成为视频和广播应用的理想之选。该传感器在8 K（7680×4320）分辨率时的最高运行速度为40 fps。

由于该传感器的高分辨率，用户可以通过降低采样率将分辨率降至4 K（或HD）以进一步提高图像质量，或根据需求选择裁剪输出一个或多个4 K或HD的分辨率同时仍能生成清晰的4 K或HD图像（数码变焦）。

低噪声、高动态范围和片上校正功能使该传感器能够直接输出高质量图像，而全局快门技术可以确保无失真地捕获高速动态影像。

四、评估套件

艾迈斯半导体提供CMV50000评估套件。利用板上快速内存，该评估套件能够以全画幅帧率捕获和保存全分辨率图像。这些原始图像可以传输至计算机，供日后检验使用。评估套件使用USB 3.0连接并兼容USB3Vision标准。该套件配备了易于使用的软件（基于NI MAX），并且易于集成到测试系统中，以便全面评估成像传感器。

五、未来一代的产品

要求摄像头更小、更轻并且分辨率更高的需求正在不断增加。这只有通过减小像素尺寸才能实现。当然，一般普遍认为像元尺寸减小，性能肯定也会降低。艾迈斯半导体则致力于在缩减像元尺寸的同时保持高性能。这将为实现高性能、高分辨率且小巧轻便的摄像头扫除障碍，无需昂贵的大尺寸光学部件，并且摄像头可安装在更多空间受限的环境中。