解释第四代全局快门，以及为什么嵌入式图像传感器需要更好的性能指标

图像传感器正在以三种核心方式发展：随着物联网 (IoT) 的兴起，系统功能更加边缘化；实现片上偏振和高光谱传感器等新功能，可以比肉眼看到更多；并且，对于大多数机器视觉应用来说，最根本的进步可能是需要以更高的分辨率进行捕获——而且这样做的速度更快。

本文着眼于 GS-CMOS 图像传感器的发展，包括对即将面世的第四代全局快门技术的期望，以及它们在提高成像性能方面的作用。

全局快门 CMOS 图像传感器大约在十年前首次推出，从那时起，在实现高速制造工艺的加速吞吐量方面发挥了至关重要的作用。该技术不仅给出了数字输出，而且避免了卷帘效应造成的空间失真。

该技术发展迅速，可提供更高的图像质量，第一代传感器在其 1/1.2" 格式（5.86 µm 像素尺寸）中仅提供 2.4 兆像素。对分辨率的要求意味着工程师创造了 3.45 µm 的第二代传感器像素尺寸，使索尼能够覆盖 0.4 到 31 兆像素的分辨率。

但随着像素尺寸的缩小，到达传感器中每个像素的光量也会减少——降低饱和能力。

对于第三代，在这些竞争因素之间寻求最佳平衡：略微增加像素尺寸（至 4.5 µm），从而增加接近第一代设备的饱和容量，同时还提高了动态范围和速度。

随着第一代到第三代像素的完成，索尼创建了一个分辨率和光学尺寸产品组合，涵盖了已停产的传统 CCD 产品线。

图像捕捉的整体方法

机器视觉系统不仅需要捕获详细的图像以进行分析，还需要捕获正确的信息，将这些信息传输到计算机并以极高的速度执行此操作。

因此，传感器的读出帧速率（与使用的传输标准一样多）是此过程中的关键因素。但嵌入在每一代 GS-CMOS 图像传感器中的功能也是如此。第 1 代包括全局快门，以消除运动伪影；以及多帧感兴趣区域 (ROI) 功能，该功能允许将数据子集传递给计算机进行分析。

第 2 代添加了多次曝光触发器，允许在一个图像帧内捕获多次曝光，以确保捕获的图像具有更深的信息——并将最短曝光时间缩短至仅 2 微秒。

第 3 代包括双 ADC 和双触发器，允许在同一帧上拍摄低增益和高增益图像，每个图像都可以独立触发。此外，还嵌入了传感器转换增益，以更好地平衡灵敏度、饱和容量和动态范围，以应对低光和高光条件。最后，添加了一个自触发器，一个 ROI 充当另一个 ROI 的触发器。

反转传感器

虽然仍然可以通过增加图像传感器尺寸来增加整体像素数，但大多数机器视觉应用使用 C 接口相机，使用 1 英寸型传感器（对角线 16 毫米）。

前三代GS-CMOS图像传感器采用前照式像素结构（见图1），光线进入镜头，然后穿过金属布线层到达光敏光电二极管。

这减少了到达光电二极管层的光，一部分进入透镜的光被引导到金属布线层上。

第四代 GS-CMOS 采用的另一种方法是反转金属布线和光敏光电二极管层，以创建背照式像素结构，使光子更容易被检测到（见图 2） .

与传统的前照式传感器（2.74μm）相比，这种倒置结构使像素尺寸减小到约 63%，而不会降低饱和特性。

此外，这种反转允许将外围电路布置在传感器的背面。这允许将分辨率从 12 MP 增加到 20 MP，同时封装尺寸减小到约 91%；即使使用与之前型号相同的光学系统（见图 3）。

第四代特征和读出帧率

倒置背照式像素结构还提供了实现高度灵活的布线布局的能力，并且通过将其与具有嵌入式时钟 (SLVS-EC) 高速接口的可扩展低电压信号相结合，可以显着提高读取帧速率.考虑到传输的更高分辨率图像，读取帧率可以比传统传感器快近 2.4 倍。

在第四代传​​感器上实现的其他功能包括双 ADC 数据的传感器上组合，允许从低增益和高增益捕获创建 HDR（高动态范围）图像。快门速度加快，快门间隔时间缩短至 2 µs。

结论

为实现高度自动化，例如取代工厂和仓库的目视检查以及工厂自动化和配送的其他应用，检查和识别必须更加精确和快速，从而提高效率。

第四代传感器是整个行业和工业自动化的一大飞跃——提供更好的图像和更多的片上功能，从而提高工业制造过程的质量控制和速度。

然而，这种对更高制造速度和准确性的需求将继续存在，并且有一个即将出现的问题需要在它成为问题之前加以解决。

正如我们所见，传感器制造商可以将像素尺寸缩小到超过最佳点。确实，可以说某些人这样做具有商业利益；利用非专家将其用作代理指标（通常是唯一指标）来量化其系统的图像质量。

我们作为一个行业需要共同努力以提供更好的替代指标。一种考虑到工业成像的复杂性。一种更全面地看待质量和数量的产品。最终，一个像简单的像素计数一样容易理解的。