Teledyne e2v全新微型Topaz传感器；价格诱人，性能绝不妥协
时间：2021-11-05
作者：G.Powell，高级市场经理，Teledyne e2v
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Topaz是Teledyne e2v产品系列的最新成员，是工业CMOS图像传感器的一大重要进步。Topaz传感器设有150万像素和200万像素两种分辨率，采用了最先进的低噪声、仅2.5 x 2.5µm全局快门像素技术。它们提供的光电转换性能是几年前两倍于其尺寸的像素所难以达到的，并通过1.2GHz的2通道MIPI CSI-2与CPU、ISP、DSP芯片组无缝连接，对于150万像素版本，在8bits下可达130 帧。
这些全新的1,920 x 1,080和1,920 x 800像素格式提供了功能强大的解决方案，并为许多应用提供了紧凑的移动设计。 装在4.45mm宽的芯片尺寸封装（CSP）中，光学阵列与封装的机械中心相匹配，从而设计出超薄的移动相机和模组。Topaz150万像素传感器具有独特的2.4:1宽高比，使其尤其适合快速移动的物体或传送带上的条码。现代制造业和物流配送中心需要通过提高传送带速度来提高生产力水平。然而，这受限于传统自动检测和扫描相机系统，这些系统在上述应用中使用较为传统的4:3或方形格式的机器视觉传感器，它们存在许多冗余垂直像素的严重缺点，而且帧率较低。
Topaz新型传感器的尺寸较小（4.45mm x 7.65mm），使其尤其适用于微型OEM条码引擎设计、移动终端和扫描器、物联网、非接触式认证系统、可穿戴设备、无人机和机器人。
不过，这不仅仅是尺寸问题。扫描快速移动的物体需要非常短的积分/曝光时间，以避免捕获的图像出现模糊。短的积分时间意味着积累的光子更少，然后需要信号增益来产生适当的灰度值和对比度。还有一些进一步减少可用光子（甚至在它们到达图像传感器之前）的额外光学因素。值得注意的是，需要高F数的镜头以确保在所需的工作范围或距离上捕获一个充分聚焦的图像。更高的F数意味着更小的光圈，从而再次减少了传感器上的可用光线，如前所述，增加曝光时间并不是一个选项。那么传感器的低光信噪比特性将是一个关键参数，如果这个参数不佳，唯一的补救措施就是增加照明。然而，这一措施伴随额外的LED和电源成本以及更为严格的热管理设计，以限制传感器暗信号噪声的增加，通常结节温度每增加6到8度，暗信号噪声就会增加一倍。
为了应对这些低光挑战，较小的2.5µm全局快门像素具有"像素内"CDS（相关双采样），以实现通常为3个电子的总读出噪声。同时，先进的双导光板与零隙微透镜最大限度地提高进入像素感光区的光线耦合度，以实现低光下的良好信噪比。导光板和微透镜还能实现一个很宽的角响应，更接近于背照式像素，尽管Topaz采用正面照明技术。这些"像素内"光学元件也减少了像素与像素之间的串扰，从而提供清晰图像。
针对图像质量的进一步讨论需要重点关注暗信号及其对固定模式噪声（FPN）的影响，尤其是在高温环境下。高暗信号不均匀性（DSNU）往往会导致图像中出现更多可见的VFPN/HFPN，即使利用了补偿技术。Topaz传感器具备的两个特性确保高温下图像质量的优越性。首先，使用的半导体工艺节点对暗信号进行了充分优化，在25°C环境下通常只有3.5e-，在60°C只达到65e-。其次，垂直和水平的FPN通过片上处理得以减少，即使在高温下也能提供可利用的图像。
Topaz的应用优势
手持/固定和移动条码读取器，OEM扫描引擎，自动识别：
目前用于大多数条码读取器的CMOS传感器约为100万像素，各设备制造商正在进行价格竞争，利润率受到侵蚀。Topaz这一新品属于升级版，由于其更高的分辨率和独特的宽幅，可以实现更长或更宽的扫描范围。这对需要较大面积/视场（Field of View）的零售和物流扫描领域非常实用。相比于现有的解决方案，最终用户受益于速度更快的传送带和更大的吞吐量。
文件扫描也需要宽幅，并且在物流和包裹递送的移动条码终端中是一个特别实用的功能。
出色的性价比实现大批量采用。凭借微小的占地面积，它们得以成为驱动全球最小的OEM扫描引擎和最薄的移动平台的理想选择。在200万像素全分辨率和最大帧率下，工作功耗仅为200mW，确保了手持和移动应用中更长的蓄电池连续使用时间。具有精细模拟增益控制的低光信噪比性能，通过将LED功率预算降到最低，在系统层面节约成本。
Topaz的嵌入式功能还能实现最快的条码读取优势。快速唤醒模式使用专有的上电复位方法，确保在省电方案中通电后，第一帧可以在10mS内解码。凭借帧与帧之间的现场控制寄存器和下一帧的快速更新，传感器得以快速重新配置，从而减少图像数据的浪费。
为未来而建
用于零售业POS（销售点）的固定式条码扫描仪除条码读取外还趋向于物体识别，因此水果、蔬菜和不易读取的标签可以不受任何干预地通过自助收银台，改善顾客的购物体验。RGB模式的Topaz可以增强物体识别能力，并为传统的条码读取保持足够的空间分辨率。
机器视觉、机器人技术和嵌入式成像应用：
凭借高效全局快门（在660 nm时1/PLS通常高于4000），Topaz得以成为通用机器视觉应用的高效传感器，例如工厂自动化、自动检测等。这些应用往往倾于方形阵列。为了实现这一点，Topaz可以在水平方向上进行裁剪或2 x 2像素合并，因此单一相机设计就能满足所有要求。设有全面触发输入和输出（包括一个切换现场寄存器的硬件触发输入）。
机器人设备用于拣选和放置或将货物从一个地方运至另一个地方，使用二维条码读取器识别货物或料箱，同时也在工厂车间内进行导航。如前所述，Topaz专为这项工作打造。出于安全和避免碰撞，不时还需用到3D，由于设备体积较小，小型立体3D相机系统易于设计。还有多个I²C地址（x2），因此最多2个独立的传感器可以占据同一控制总线。
随着部署人工智能和机器学习，嵌入式视觉系统的普及已经显著增加。Topaz可以成为这些系统的关键，通过简单的单通道或双通道MIPI CSI-2接口，与通用的ISP处理器平台无缝连接。Teledyne e2v推出了协助开发人员完成特定任务的基本Linux驱动程序。计划明年推出基于Topaz传感器的光学模组，进一步简化嵌入式计算机视觉系统的集成工作。
无人机、可穿戴相机和物联网边缘成像：
基于Topaz的较小尺寸、重量和低功率，它还可应用于无人机或远程物联网相机等。全高清图像格式与16:9显示器的兼容性使该设备自然适合于远程视觉检查或监视应用。内部温度传感甚至可以提供额外的环境信息和/或进行校正温度相关伪影。
医学成像：
基于较小体积，牙医行业可以受益于基于Topaz的口腔2D或3D相机。同样，也可实现用于牙科匹配应用的彩色相机。
一个日益受到人们关注的领域是医疗定点照护扫描产品。通过这些多功能手持终端，病人能够在家通过视频通话与医生进行远程医疗检查。随着隔离和家庭护理的需要，新冠疫情显著推动了这一市场。相机是这些终端的组成部分，需要执行广泛功能，例如能够放大区域和监测术后瘢痕组织的进展情况。其他生物识别和计量任务也需使用同一台相机，Topaz就是一个理想的解决方案。
Topaz的主要性能参数和特点总结：
实用片上嵌入式功能的摘要：
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