圖像傳感器是電子元器件最熱的方向之一，無論是智能手機、安防監(jiān)控、汽車電子還是工業(yè)應用，都在大量采用，而且增速驚人。手機應用上已經(jīng)普及了多攝像頭，但是單看傳感器的成本，五攝手機的圖像傳感器加起來，未必比一顆普通工業(yè)用傳感器貴，而單顆高速、高分辨率工業(yè)圖像傳感器價格則要到幾千美元，比主流旗艦手機整機還貴。工業(yè)圖像傳感器為何成本高昂？未來工業(yè)圖像傳感器將有哪些發(fā)展趨勢？請看安森美半導體的解讀。
近年來，機器視覺在工業(yè)領域的發(fā)展非?？?，已經(jīng)從傳統(tǒng)汽車制造領域快速普及到電子產(chǎn)品、醫(yī)藥和食品等領域的生產(chǎn)制造流程中。根據(jù)MarketsandMarkets的預測，預計到2025年全球機器視覺市場規(guī)模將突破130億美元，國內(nèi)市場機器視覺的發(fā)展也極為活躍，根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的估計，到2026年我國機器視覺市場規(guī)模將突破300億元。
機器視覺在工業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛，常用于四類功能：視覺引導與定位、模式有無識別檢測、精準測量測距和產(chǎn)品外觀檢測等。概括的說，工業(yè)機器視覺系統(tǒng)的特點是提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度，主要在一些不適合于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，用機器視覺來替代人工視覺；同時在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度。
圖：常見工業(yè)視覺應用及其對傳感器參數(shù)的要求
圖像傳感器是機器視覺的核心零部件，其性能參數(shù)及功能對工業(yè)機器視覺系統(tǒng)影響很大，安森美（ON SEMI）半導體是全球領先的圖像傳感器廠商，其產(chǎn)品被廣泛應用在汽車與工業(yè)領域。近日，探索科技（techsugar）在中國機器視覺展（Vision China）上采訪了安森美半導體智能感知部大中華區(qū)市場經(jīng)理陶志，請她介紹了安森美圖像傳感器在工業(yè)應用中的布局及關注發(fā)展方向。
工業(yè)成像對圖像傳感器的要求
據(jù)陶志介紹，和消費電子領域相比，工業(yè)成像對圖像傳感器的要求多有不同。
首先，工作環(huán)境不同，消費級傳感器工作溫度范圍一般是0℃至70℃，而工業(yè)級則要求-40℃至85℃，對元器件的可靠性要求也更高。
其次，工業(yè)成像一般是用機器對采集來的圖像進行分析，因此要求成像清晰、邊緣明確。這就要求傳感器對光的響應量子效率（QE）要高，像素要大，最好有足夠大的滿井電荷容量可以滿足客戶長曝光或者高光照條件下的需求。在硅片檢測、光伏檢測和屏幕檢測過程中，通常要面臨長曝光或高光照的工作條件。
第三，工業(yè)成像很多場景需要傳感器能支持短曝光、高幀率，因此常采用全局快門。這是因為制造業(yè)都對生產(chǎn)效率有很高的要求，工廠產(chǎn)線運轉(zhuǎn)速度都特別快，當被測工件從傳送帶上移動過來時，工業(yè)相機通常要能快速地連續(xù)抓拍幾幀圖像，并快速讀出數(shù)據(jù)傳輸給上位機，還要留給算法軟件足夠的時間去分析并作出判斷，并準備好對傳送帶上的下一個工件進行抓拍。這些要求在3C檢測中很常見，所以此類應用對拍照速度要求極高。
第四，標準組織的測試標準（例如EMVA1288）也對工業(yè)級傳感器參數(shù)給出了具體要求。EMVA 1288的全稱是European Machine Vision Association 1288，是歐洲機器視覺協(xié)會制定的關于圖像傳感器和相機的一套性能表征標準。在工業(yè)級應用中，對圖像傳感器的圖像響應一致性（Photo Response Nonuniformity，簡稱RPNU）、噪聲參數(shù)，乃至壞點壞線都有比較高的要求。
第五，與手機等消費類應用主要工作在主動模式拍攝不同，工業(yè)相機檢測需要同步外部光源，這樣圖像傳感器基本都需要工作在觸發(fā)（trigger）模式，即被動模式。傳感器在外部同步信號使能或探測到被測部件到來時再啟動拍攝，可以減少傳感器實際工作時長，增加傳感器工作壽命。
值得關注的工業(yè)成像發(fā)展趨勢
陶志表示，安森美半導體堅定看好機器視覺未來的發(fā)展。目前，全球都非常重視工業(yè)、制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級，這為工業(yè)成像技術(shù)發(fā)展指明了方向，而不同的工業(yè)應用，也對傳感器提出差異化要求。
第一，高精度檢測對圖像傳感器像素要求越來越高。在平板檢測領域，由于平板技術(shù)的持續(xù)改變，使得平板檢測功能對圖像傳感器的要求不斷提高。面板分辨率從以往的1080P、2K，發(fā)展到現(xiàn)在的4K、8K，屏幕材質(zhì)也從LCD發(fā)展到OLED、AMOLED，在生產(chǎn)過程中，要求能將平板顯示器像素和像素之間發(fā)光強度和色彩均勻度都能夠很準確地偵測出來。過去檢測LCD面板上的1顆R，G，B像元，需要對應9個圖像傳感器上的像素（3×3），現(xiàn)在的OLED面板上檢測一個LED的R，G，B像元則對應需要16個像素（4×4），甚至25顆（5×5）像素。所以，平板檢測對圖像傳感器的像素要求越來越高，需求已從以前的3000萬像素，到現(xiàn)在的上億顆像素。
第二，工業(yè)檢測對傳感器分辨率和幀率要求越來越高。在晶圓檢測、太陽能光伏面板檢測和線路板組裝（PCBA）的表面貼工藝（SMT）檢測等應用中，都對生產(chǎn)效率有較高要求。在單位時間內(nèi)所能檢測的線路板面積越大，生產(chǎn)效率就會越高，這就需要圖像傳感器能在單位時間內(nèi)收集更多的信息量，因此就需要在此類應用中的傳感器分辨率高、幀率高。
第三，立體檢測中需要能抓取圖像傳感器的深度信息。三維圖像的實現(xiàn)，可以利用激光雷達直接輸出點云來獲知深度信息，也可以利用經(jīng)濟型全局快門圖像傳感器構(gòu)成的雙目、結(jié)構(gòu)光方案來實現(xiàn)。此外，安森美有獨家超深像素（super depth pixel）技術(shù)，非常適合3D相機對傳感器的大像元、高幀率要求。
第四，很多工業(yè)檢測已經(jīng)突破可見光區(qū)域，因此需要硅基圖像傳感器能加強近紅外波段的量子效率。近紅外增強功能在物料成分分析以及運動軌跡抓拍中應用很普遍。
第五，工業(yè)視覺應用中將大量運用人工智能技術(shù)。可以說，工業(yè)領域中的絕大多數(shù)人工智能應用都與機器視覺技術(shù)有關，從業(yè)者期望使用神經(jīng)網(wǎng)絡算法在自動化生產(chǎn)線上進行視覺處理的訓練，以獲得標準的動作和質(zhì)量數(shù)據(jù)，越來越多替代手動操作部分。
圖：XGS系列演示；圖源：現(xiàn)場拍攝
陶志表示，安森美在機器視覺領域耕耘很久，業(yè)界對安森美的解決方案接受度很高。國內(nèi)機器視覺剛起步時，就有很多工業(yè)方案選擇了安森美的CCD和CMOS產(chǎn)品，例如PYTHON25K CMOS方案就被廣泛應用在高鐵上，用于檢測高鐵電網(wǎng)的接觸狀況。在展會現(xiàn)場展示中，利用XGS5000高幀率特性展示了高速生產(chǎn)線檢測案例，也有客戶開發(fā)了在醫(yī)學上的應用，比如新冠檢測設備和醫(yī)藥生產(chǎn)線檢測。而近日登陸火星的美國“毅力號“火星車，一共用了23顆相機，其中10顆相機的傳感器來自安森美的PYTHON系列CMOS傳感器和CCD傳感器。
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