隨著(zhù)終端應用要求更加嚴苛， 先進(jìn)的CCD圖像傳感器變得日益關(guān)鍵

　　盡管基于CMOS技術(shù)的圖像傳感器在許多應用中已得到廣泛應用，但一些要求嚴苛的工業(yè)成像應用仍需要CCD圖像傳感器獨有的性能。

　　舉一個(gè)例子，關(guān)鍵的平板顯示器生產(chǎn)線(xiàn)終端檢測仍然主要由采用CCD的相機來(lái)執行，因為它們能提供高分辨率和出色的圖像均勻性，這是目前CMOS圖像傳感器技術(shù)無(wú)法提供的。

　　這一類(lèi)的檢測通常由使用基于安森美半導體的2900萬(wàn)像素(Mp)，35 mm光學(xué)格式的KAI-29050圖像傳感器等器件的相機來(lái)執行。然而，平板顯示器分辨率越來(lái)越高，用來(lái)檢測它們的相機分辨率也需要相應的提升。為滿(mǎn)足這一需求并保留標準的35 mm光學(xué)格式，需要既能減小像素尺寸，同時(shí)又能保留應用所需的關(guān)鍵性能和圖像均勻性規格的全新像素設計。

　　對高性能、高分辨率成像的需求

　　如今，成像推動(dòng)了工業(yè)應用的生產(chǎn)力效益，從交通監控、車(chē)牌識別，到條形碼掃描、機器人引導、機器視覺(jué)等等。盡管每種應用都有其獨特的需求(一些需要高幀速率，另一些需要寬動(dòng)態(tài)范圍、微光靈敏度或某個(gè)不同的關(guān)鍵參數)，一些應用主要需要最高級別的圖像細節，要求開(kāi)發(fā)具有非常高分辨率的圖像傳感器。

　　一個(gè)很好的例子是平板顯示器的生產(chǎn)線(xiàn)終端檢測，這個(gè)流程是要確認每個(gè)顯示像素中紅、綠和藍三個(gè)子元素都能正常工作。隨著(zhù)顯示器的應用在移動(dòng)設備、平板電腦、電視機、車(chē)輛、監控器等更多領(lǐng)域中不斷擴展，這些顯示器的分辨率也在不斷提高，從1080p到4k/超高清，甚至更高。這對在制造過(guò)程中用于監測這些顯示器的相機提出了獨特的要求，它需要提供能夠分解顯示器中存在的附加像素和子結構所需的細節，而無(wú)需犧牲該應用所需的圖像質(zhì)量和均勻性。

　　圖1：用相機檢測平板顯示器

　　高分辨率成像的其它例子還包括高端監控(以足夠放大任何一個(gè)位置的分辨率采集寬闊視域圖像)和航拍(更高的分辨率可提供額外的成像細節，或讓飛機能夠飛得更高并減少飛行次數)。但是在所有這些例子中，應用不僅需要非常高的分辨率，而且還需要非常高的圖像質(zhì)量，可通過(guò)圖像均勻性、噪聲、動(dòng)態(tài)范圍等規格來(lái)衡量。

　　鑒于這種綜合需求，這套應用一直以來(lái)憑借基于Interline Transfer CCD(ITCCD)技術(shù)的圖像傳感器，即使擴展到大的光學(xué)格式，它也能保留關(guān)鍵的成像性能參數。這一技術(shù)能夠以非常高的圖像均勻度捕獲圖像，且真正的全局快門(mén)設計能夠捕獲運動(dòng)場(chǎng)景，而不會(huì )引入成像偽影。此外，該技術(shù)可提供寬曝光范圍和低暗電流，能夠實(shí)現從幾微秒到一秒或更長(cháng)時(shí)間范圍內的圖像曝光。

　　Interline Transfer CCD技術(shù)用于開(kāi)發(fā)高分辨率、大格式圖像傳感器已超過(guò)15年，其分辨率隨市場(chǎng)需要逐漸提高。例如，2003年的KAI-11000圖像傳感器以35 mm光學(xué)格式提供1100萬(wàn)像素的分辨率;但到2011年，這種相同的光學(xué)格式幾乎可支持三倍的分辨率。

　　圖2：35 mm光學(xué)格式下ITCCD分辨率的提升

　　在保留光學(xué)格式的同時(shí)提高分辨率的這種進(jìn)步，對于實(shí)現這些應用中采用相機的簡(jiǎn)化的現場(chǎng)升級非常重要，因為在部署更高分辨率的相機時(shí)，相機的放置位置和鏡頭都無(wú)需變動(dòng)。

　　嚴苛要求帶來(lái)重大設計挑戰

　　為了在保留35 mm光學(xué)格式的同時(shí)，將器件(例如KAI-29050)的分辨率從現有的2900萬(wàn)像素繼續提升，就需要更小的像素格式，以便將更多像素放置于給定區域中。但為同時(shí)保留這一較小像素中的關(guān)鍵成像參數，如圖像均勻性、動(dòng)態(tài)范圍和底噪，除了簡(jiǎn)單地縮小尺寸外，還需要提升像素設計。

　　圖3：設計挑戰

　　隨著(zhù)器件中像素的增加，除非器件的輸出帶寬能夠增加，否則總體幀速率將會(huì )降低(這可能也是某些應用所需要的)。維持與當前傳感器和相機的向后兼容對于幫助相機制造商和終端客戶(hù)簡(jiǎn)化所需的升級路徑以支持并采用新器件至關(guān)重要。

　　35 mm光學(xué)格式高性能ITCCD傳感器

　　安森美半導體的KAI-43140圖像傳感器提供了如何滿(mǎn)足這些設計挑戰，以35 mm格式為要求嚴苛的應用提供更高分辨率的范例。新器件采用全新的4.5 μm ITCCD像素，以35 mm光學(xué)格式提供4300萬(wàn)像素，相較于廣泛應用的2900萬(wàn)像素KAI-29050，分辨率增加了50%。然而，即使采用這種較小的像素尺寸，關(guān)鍵的成像性能水平任然得以保留(包括高拖尾抑制和超過(guò)60dB的線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍)，并且通過(guò)采用先進(jìn)工藝設計，消除整個(gè)類(lèi)別下的均勻性偽影，圖像均勻性得到實(shí)際的提升。

　　更新了的輸出放大器可將4分接頭器件的帶寬增加50%，盡管分辨率提高，卻仍可提供與2900萬(wàn)像素器件相同的最終幀速率。由于KAI-43140仍基于ITCCD技術(shù)，因此它保留了電子快門(mén)和廣泛曝光支持等特性，這些都是該技術(shù)的標志性特性。

　　重要的是，KAI-43140采用與KAI-29050相同的封裝，讓當前的相機設計僅需稍作電氣變更即可支持新器件。這大大降低了相機制造商的設計風(fēng)險，并使他們能夠以更低的成本更快地將具有更高分辨率和性能的相機投入市場(chǎng)。

　　總結

　　開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足高級工業(yè)應用嚴苛要求的成像傳感器，需要的遠不止簡(jiǎn)單地將更多像素“拽”到更小的封裝中。通過(guò)采用先進(jìn)的像素設計，可以在給定光節點(diǎn)提供更高的分辨率而無(wú)需犧牲所需的性能。

　　圖4：安森美半導體的大格式ITCCD圖像傳感器

　　然而即使有了這些提升，重要的是要認識到“最新”的成像器件并不一定是適用于所有應用的“最佳”器件(即使是針對需要非常高分辨率的應用)。不僅針對分辨率擁有不同的選擇，而且針對光靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、幀速率、甚至價(jià)格等參數擁有不同的選擇對于確定最合適某個(gè)給定應用的圖像傳感器(和成像技術(shù))是至關(guān)重要的。這凸顯了擁有廣泛器件產(chǎn)品陣容的重要性(即使是專(zhuān)注于一組特定的應用，如需要非常高的分辨率)，并強調了使用Interline Transfer CCD等技術(shù)持續開(kāi)發(fā)全新產(chǎn)品的需求。