Obturador global de quarta geração explicado e porque os sensores de imagem incorporados precisam de melhores métricas de desempenho

Os sensores de imagem estão evoluindo de três maneiras principais:mais funcionalidade do sistema com o surgimento da internet das coisas (IoT); implementação de novos recursos, como polarização no chip e sensores hiperespectrais, que podem ver mais do que a olho nu; e, possivelmente o mais fundamental dos avanços para a maioria das aplicações de visão de máquina, é a necessidade de capturar em resoluções cada vez maiores - e mais rápido.

Este artigo analisa a evolução dos sensores de imagem GS-CMOS, incluindo o que esperar da tecnologia de obturador global de quarta geração que será lançada em breve e seu papel na melhoria do desempenho da imagem.

Os sensores de imagem CMOS de obturador global foram lançados pela primeira vez há cerca de uma década e, desde então, têm desempenhado um papel crucial ao permitir o processamento acelerado de processos de fabricação de alta velocidade. A tecnologia não só deu uma saída digital, mas também evitou a distorção espacial causada pelo efeito do obturador.

A tecnologia evoluiu rapidamente para fornecer maior qualidade de imagem, com os sensores de primeira geração entregando apenas 2,4 megapixels em seu formato de 1 / 1,2 ”(tamanho de pixel de 5,86 µm). As demandas de resolução significaram que os engenheiros criaram o tamanho do pixel do sensor de segunda geração de 3,45 µm, permitindo à Sony cobrir resoluções de 0,4 a 31 megapixels.

Mas à medida que o tamanho do pixel diminui, o mesmo acontece com a quantidade de luz que atinge cada pixel no sensor - reduzindo a capacidade de saturação.

Com a terceira geração, buscou-se um equilíbrio ideal entre esses fatores concorrentes:aumentar ligeiramente o tamanho do pixel (para 4,5 µm) e, assim, aumentar a capacidade de saturação para mais perto dos dispositivos de primeira geração, ao mesmo tempo em que melhora a faixa dinâmica e a velocidade.

Com a conclusão da primeira à terceira geração de pixels, a Sony criou um portfólio de resolução e tamanho óptico que cobria a linha de CCD legado que estava sendo descontinuada.

Uma abordagem holística para captura de imagens

Os sistemas de visão de máquina precisam não apenas capturar imagens detalhadas para análise, eles precisam capturar as informações certas, transferir essas informações para um computador e fazer isso em velocidades excepcionalmente altas.

A taxa de quadros de leitura do sensor (tanto quanto o padrão de transmissão usado) é, portanto, um elemento crucial neste processo. Mas também estão os recursos sendo incorporados em cada nova geração de sensores de imagem GS-CMOS. A geração 1 incluiu o obturador global, para eliminar artefatos de movimento; e um recurso de região de interesse (ROI) de vários quadros, que permite que um subconjunto de dados seja passado para o computador para análise.

A Geração 2 adicionou disparadores de múltiplas exposições, permitindo que múltiplas exposições sejam capturadas em um quadro de imagem para garantir imagens capturadas com maior profundidade de informação - e reduziu o tempo mínimo de exposição para apenas 2 µs.

A Geração 3 incluiu um ADC duplo e disparador duplo, o que permitiu uma imagem de baixo e alto ganho obtida no mesmo quadro, podendo cada um ser disparado independentemente. Além disso, um ganho de conversão no sensor foi incorporado para melhor equilibrar a sensibilidade, capacidade de saturação e faixa dinâmica para lidar com condições de luz baixa e brilhante. Por fim, um disparador automático foi adicionado, com um ROI atuando como o disparador para outro.

Invertendo o sensor

Embora ainda seja possível aumentar a contagem geral de pixels aumentando o tamanho do sensor de imagem, a maioria dos aplicativos de visão de máquina usa uma câmera de montagem C que usa um sensor do tipo 1 polegada (16 mm na diagonal).

As três primeiras gerações de sensores de imagem GS-CMOS usaram uma estrutura de pixel com iluminação frontal (veja a figura 1), com a luz entrando na lente, antes de passar pela camada de fiação de metal e chegar ao fotodiodo sensível à luz.

Isso reduz a luz que atinge a camada de fotodiodo com uma proporção da luz que entra na lente sendo direcionada para a camada de fiação de metal.

Uma abordagem alternativa sendo adotada para GS-CMOS de quarta geração é inverter as camadas de fiação de metal e fotodiodo sensível à luz para criar uma estrutura de pixel retroiluminada e tornar mais fácil para os fótons serem detectados (ver figura 2) .

Esta estrutura invertida permite que o tamanho do pixel seja reduzido para aproximadamente 63% em comparação com o sensor frontal iluminado convencional (2,74 µm) sem reduzir as características de saturação.

Além disso, essa inversão permite que circuitos que eram periféricos sejam dispostos na parte traseira do sensor. Isso permite que a resolução seja aumentada - de 12 MP para 20 MP - enquanto o tamanho do pacote foi reduzido para cerca de 91%; mesmo ao usar o mesmo sistema óptico dos modelos anteriores (veja a figura 3).

Recursos de quarta geração e taxas de quadros de leitura

A estrutura de pixel retroiluminado invertido também oferece a capacidade de implementar um layout de fiação altamente flexível e, combinando isso com uma sinalização de baixa tensão escalonável com interface de alta velocidade de relógio embutido (SLVS-EC), é possível melhorar significativamente a taxa de quadros de leitura . Levando em consideração as imagens de alta resolução sendo transmitidas, a taxa de quadros de leitura pode ser quase 2,4 vezes mais rápida do que os sensores convencionais.

Recursos adicionais implementados em sensores de quarta geração incluem uma combinação no sensor de dados ADC duplos, permitindo que uma imagem HDR (alta faixa dinâmica) seja criada a partir das capturas de baixo e alto ganho. A velocidade do obturador foi acelerada, com o tempo entre os desligamentos reduzido para apenas 2 µs.

Conclusão

Para implementar um alto grau de automação possibilitando avanços como a substituição da inspeção visual em fábricas e armazéns e em outras aplicações de automação e distribuição fabril, a inspeção e o reconhecimento devem ser mais precisos e rápidos, possibilitando maior eficiência.

O sensor de quarta geração é um grande salto para a indústria e para a automação industrial em geral - permitindo imagens melhores e um maior conjunto de recursos on-chip que melhoram o controle de qualidade e a velocidade dos processos de fabricação industrial.

No entanto, essa necessidade de velocidade e precisão de fabricação cada vez maiores continuará, e há um problema no horizonte que precisa ser resolvido antes que se torne um problema.

Como vimos, os fabricantes de sensores podem reduzir o tamanho do pixel além desse ponto ideal. Na verdade, pode-se argumentar que há um interesse comercial para alguns em fazê-lo; aproveitando o uso de não especialistas como uma métrica proxy (muitas vezes a única métrica) para quantificar a qualidade de imagem de seu sistema.

Nós, como setor, precisamos trabalhar juntos para fornecer uma métrica alternativa melhor. Que leve em consideração a natureza complexa da imagem industrial. Aquele que analisa de forma mais holística a qualidade e a contagem. E, finalmente, um que seja tão fácil de entender quanto simplesmente contagem de pixels.