機器視覺(jué)等應用推動(dòng)CMOS圖像傳感器性能升級

當前，機器視覺(jué)技術(shù)正成為現代工業(yè)中的核心驅動(dòng)力。中國機器視覺(jué)市場(chǎng)規模呈現持續增長(cháng)態(tài)勢。中商產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2024-2029年中國機器視覺(jué)行業(yè)市場(chǎng)前景預測及未來(lái)發(fā)展趨勢研究報告》顯示，2023年中國機器視覺(jué)市場(chǎng)規模達到185.12億元，同比增長(cháng)8.49%。預計2024年中國機器視覺(jué)市場(chǎng)規模將增長(cháng)至207.17億元。（數據來(lái)源：GGI、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理）

機器視覺(jué)檢測設備可以應用于自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上，對產(chǎn)品的外觀(guān)、尺寸、缺陷等進(jìn)行檢測，實(shí)現快速、高效的品質(zhì)控制。在工業(yè)檢測領(lǐng)域，CMOS圖像傳感器的重要應用之一是自動(dòng)光學(xué)檢測（AOI），包括顯示面板檢測、PCB檢測、電子元器件檢測等。

據Yole統計，2022年工業(yè)領(lǐng)域CMOS圖像傳感器全球銷(xiāo)售額為8.65億美元，同比增長(cháng)24%。預計到2028年，工業(yè)領(lǐng)域CMOS圖像傳感器的銷(xiāo)售額達13.91億美元，復合增長(cháng)率約為8%。

當前，工業(yè)自動(dòng)光學(xué)檢測的痛點(diǎn)主要體現在如下兩個(gè)方面：

一是如何把產(chǎn)品細微缺陷通過(guò)圖像成像出來(lái)？這就要求圖像傳感器具備更高的分辨率；

二是如何把形態(tài)各異、復雜多變的產(chǎn)品缺陷高效準確地檢測出來(lái)？為應對高檢測通量和非標準化的產(chǎn)線(xiàn)，市場(chǎng)對于高分辨大靶面的相機需求越來(lái)越強烈。這也給相機的核心部件CMOS圖像傳感器的性能提出了更高的要求：高分辨率，大視場(chǎng)，小像素，高滿(mǎn)阱等。

隨著(zhù)行業(yè)對于高像素的需求加速，各廠(chǎng)商相繼推出超億像素圖像傳感器。豪威現已發(fā)布2億像素圖像傳感器，佳能發(fā)布2.5億像素CMOS影像傳感器，威派視半導體發(fā)布超6億像素大面陣圖像傳感器……

要實(shí)現像素規模的提升，像素尺寸需進(jìn)一步縮小，信噪比將無(wú)法滿(mǎn)足成像需求，這使得CMOS傳感器遇到了顯著(zhù)的技術(shù)瓶頸，各方開(kāi)始尋求不斷提高分辨率等性能的技術(shù)突破路徑。威派視創(chuàng )始團隊于2009年在南京大學(xué)期間提出了全新的垂直電荷轉移成像器件（VPS）概念，用單一晶體管實(shí)現圖像傳感器像素的全部功能，將像素尺寸由“微米級”推進(jìn)至“納米級”，最小像素尺寸可達0.5微米，是現代半導體成像技術(shù)的新突破。

針對威派視近期發(fā)布的VPS800大面陣成像芯片，經(jīng)第三方評估，VPS圖像傳感器的高分辨、大視場(chǎng)等性能，相比于以往CMOS圖像傳感器有了較大提升。

分辨率測試

1.檢測項目：

VPS800大面陣圖像傳感器的分辨率性能

2.檢測方案：

1)搭建光路，調節鏡頭和VPS芯片的距離，使得通過(guò)透鏡成像的ISO 12233測試卡的邊緣黑白交界處位于VPS芯片的上下取景線(xiàn)中心；

2)使用光源照射ISO 12233分辨率測試卡，調節VPS芯片在鏡頭焦距處，使得ISO 12233測試卡可以在VPS芯片上成一個(gè)大致清晰的像；

3)前后細微調節VPS芯片的位置，拍攝多組圖片，選取最清晰的圖片，讀取VPS芯片的分辨率。

圖1 分辨率實(shí)驗光路圖

3.檢測結果：

通過(guò)圖片讀取VPS芯片的分辨率約為1910線(xiàn)每毫米，轉化為線(xiàn)對數也就是約為955lp/mm，基本符合理論計算得到的分辨率極限。

圖2 ISO 12233全幅（左） 中心（右）

大視場(chǎng)高分辨成像測試

1.檢測項目：

VPS800大面陣圖像傳感器的戶(hù)外成像效果

2.檢測方案：

1)在外景成像實(shí)驗室搭建以VPS800大面陣成像芯片為核心的成像系統，對戶(hù)外場(chǎng)景和靶標進(jìn)行成像能力驗證。

2)超大面陣器件采用的光學(xué)系統具有高奈頻寬視場(chǎng)的特點(diǎn)，焦距為50mm，視場(chǎng)角2w=36°，后截距為7.8mm；由于光學(xué)系統具有大數值孔徑的特點(diǎn)，系統配備了高精度調焦系統，調焦精度為0.5μm。

3)VPS800使用視頻開(kāi)窗模式配合高精度調焦，將焦面對準至粘貼于400米外的建筑物靶標（A4紙大?。┨?，驗證VPS800的極限分辨能力。

3.檢測結果：

VPS800雙采樣輸出圖像像素規模超過(guò)6億，距離400m處的視場(chǎng)范圍約300m×220m，如圖3（上）所示。選取原圖局部區域圖像，靶標中“扎根江蘇 服務(wù)江蘇”字樣清晰可見(jiàn)，圖3（下）所示。

圖3 戶(hù)外全景圖（上） 原圖局部區域圖像（下）

威派視VPS800大面陣成像芯片以自主研發(fā)的垂直電荷轉移成像器件（VPS）為核心，擁有單芯片像素規模超6億，可解決現有大面陣相機系統復雜、體積大、功耗高的問(wèn)題，在獲得長(cháng)焦距和大視場(chǎng)的同時(shí)減小體積、重量、功耗和成本，讓你在看清更大范圍的同時(shí)獲得更多微細節，目前主要在醫療、生物顯微、安防監控、商業(yè)衛星、機器視覺(jué)等場(chǎng)景展開(kāi)驗證和探索。

隨著(zhù)成像技術(shù)應用的發(fā)展，實(shí)現這些應用的傳感器和相機也在發(fā)展。從基因治療到天文學(xué)，各種應用繼續推動(dòng)著(zhù)圖像傳感器的性能提升和應用范圍拓展，并將通過(guò)研究和開(kāi)發(fā)帶來(lái)更大的技術(shù)進(jìn)步。