机器视觉等应用推动CMOS图像传感器性能升级

2024-07-08 09:12   来源: 互联网    阅读次数:3933

当前,机器视觉技术正成为现代工业中的核心驱动力。中国机器视觉市场规模呈现持续增长态势。中商产业研究院发布的《2024-2029年中国机器视觉行业市场前景预测及未来发展趋势研究报告》显示,2023年中国机器视觉市场规模达到185.12亿元,同比增长8.49%。预计2024年中国机器视觉市场规模将增长至207.17亿元。(数据来源:GGI、中商产业研究院整理)

机器视觉检测设备可以应用于自动化生产线上,对产品的外观、尺寸、缺陷等进行检测,实现快速、高效的品质控制。在工业检测领域,CMOS图像传感器的重要应用之一是自动光学检测(AOI),包括显示面板检测、PCB检测、电子元器件检测等。

据Yole统计,2022年工业领域CMOS图像传感器全球销售额为8.65亿美元,同比增长24%。预计到2028年,工业领域CMOS图像传感器的销售额达13.91亿美元,复合增长率约为8%。

当前,工业自动光学检测的痛点主要体现在如下两个方面:

一是如何把产品细微缺陷通过图像成像出来?这就要求图像传感器具备更高的分辨率;

二是如何把形态各异、复杂多变的产品缺陷高效准确地检测出来?为应对高检测通量和非标准化的产线,市场对于高分辨大靶面的相机需求越来越强烈。这也给相机的核心部件CMOS图像传感器的性能提出了更高的要求:高分辨率,大视场,小像素,高满阱等。

随着行业对于高像素的需求加速,各厂商相继推出超亿像素图像传感器。豪威现已发布2亿像素图像传感器,佳能发布2.5亿像素CMOS影像传感器,威派视半导体发布超6亿像素大面阵图像传感器……

要实现像素规模的提升,像素尺寸需进一步缩小,信噪比将无法满足成像需求,这使得CMOS传感器遇到了显著的技术瓶颈,各方开始寻求不断提高分辨率等性能的技术突破路径。威派视创始团队于2009年在南京大学期间提出了全新的垂直电荷转移成像器件(VPS)概念,用单一晶体管实现图像传感器像素的全部功能,将像素尺寸由“微米级”推进至“纳米级”,最小像素尺寸可达0.5微米,是现代半导体成像技术的新突破。

针对威派视近期发布的VPS800大面阵成像芯片,经第三方评估,VPS图像传感器的高分辨、大视场等性能,相比于以往CMOS图像传感器有了较大提升。

分辨率测试

1. 检测项目:

VPS800大面阵图像传感器的分辨率性能

2. 检测方案:

1)搭建光路,调节镜头和VPS芯片的距离,使得通过透镜成像的ISO 12233测试卡的边缘黑白交界处位于VPS芯片的上下取景线中心;

2)使用光源照射ISO 12233分辨率测试卡,调节VPS芯片在镜头焦距处,使得ISO 12233测试卡可以在VPS芯片上成一个大致清晰的像;

3)前后细微调节VPS芯片的位置,拍摄多组图片,选取最清晰的图片,读取VPS芯片的分辨率。

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图1 分辨率实验光路图

3. 检测结果:

通过图片读取VPS芯片的分辨率约为1910线每毫米,转化为线对数也就是约为955lp/mm,基本符合理论计算得到的分辨率极限。

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图2 ISO 12233全幅(左) 中心(右)

大视场高分辨成像测试

1. 检测项目:

VPS800大面阵图像传感器的户外成像效果

2. 检测方案:

1)在外景成像实验室搭建以VPS800大面阵成像芯片为核心的成像系统,对户外场景和靶标进行成像能力验证。

2)超大面阵器件采用的光学系统具有高奈频宽视场的特点,焦距为50mm,视场角2w=36°,后截距为7.8mm;由于光学系统具有大数值孔径的特点,系统配备了高精度调焦系统,调焦精度为0.5μm。

3)VPS800使用视频开窗模式配合高精度调焦,将焦面对准至粘贴于400米外的建筑物靶标(A4纸大小)处,验证VPS800的极限分辨能力。

3. 检测结果:

VPS800双采样输出图像像素规模超过6亿,距离400m处的视场范围约300m×220m,如图3(上)所示。选取原图局部区域图像,靶标中“扎根江苏 服务江苏”字样清晰可见,图3(下)所示。

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图3 户外全景图(上) 原图局部区域图像(下)

威派视VPS800大面阵成像芯片以自主研发的垂直电荷转移成像器件(VPS)为核心,拥有单芯片像素规模超6亿,可解决现有大面阵相机系统复杂、体积大、功耗高的问题,在获得长焦距和大视场的同时减小体积、重量、功耗和成本,让你在看清更大范围的同时获得更多微细节,目前主要在医疗、生物显微、安防监控、商业卫星、机器视觉等场景展开验证和探索。

随着成像技术应用的发展,实现这些应用的传感器和相机也在发展。从基因治疗到天文学,各种应用继续推动着图像传感器的性能提升和应用范围拓展,并将通过研究和开发带来更大的技术进步。



责任编辑:Linda
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