安森美半导体应用于物联网的成像技术和方案分享

　　际此万物互联时代的来临，图像传感可说是促进物联网应用的一个重要接口，是万物之“眼”。
　　安森美半导体宽广的成像和像素技术和图像传感器阵容，配以公司在成像领域的经验和专长，实现超越人眼界限的创新视野，解决机器人导引、运动分析、车牌识别、科学研究、家居安防、智能家电、婴儿监视器、智能照明、可穿戴等多个物联网细分领域的成像需求，尤其在汽车成像、先进驾驶辅助系统、条码扫描、机器视觉、安防及太空等成像领域称冠全球。本文将列举一些物联网关键应用采用安森美半导体图像传感器的例子。
　　物联网图像传感器用于智能家庭应用
　　智能家庭应用包括家居安防、智能门锁/门铃、可穿戴、智能家电、智能照明、婴儿监护等多个终端应用，主要采用720p和1080p的图像传感器以满足对图像传输的要求，同时要求具备出色的微光夜视性能和抗高温性能、低功耗、小体积。安森美半导体针对此类应用的产品阵容如图1所示，按照像素主要分为VGA、720p、1080p和全高清四个档次。
　　
　　图1：安森美半导体用于智能家庭应用的图像传感器
　　在VGA的应用中，安森美半导体主要有ASX340、ASX350等系统单芯片（SoC）产品，具有低功耗、小封装、高性能等特点，适用于智能照明等应用。针对720p，主要有AR0130、AR0140等产品，提供出色的微光性能和低功耗，用于智能门铃/门锁、家居安防系统等家居自动化应用。1080p的产品主要有AR0230、AR0238、AR0239及AR0330等，具备高动态范围（HDR），适用于智能家居、车库等应用。针对全高清的档次，安森美半导体主要提供高性能的HDR产品，如AR1335、AR0430及 AR0521等，用于360度全景摄像机等应用。
　　AR0521是安森美半导体于2017年重点推出的明星产品，像素达500万，采用最新的2.2 um BSI技术，具备HDR及出色的微光成像性能，引领500万像素在模拟、网络摄像机（IPC）及各种智能家居市场应用。AR0521光学尺寸1/2.5”，光学格式4:3，支持60 fps 线性输出或30 fps T1/T2长短曝光输出，量子效率达83%，并提升近红外（NIR）性能，使得在850 nm处量子效率达20%，在940nm出达到10%，输出接口包括通用的4通道MIPI和安森美半导体独有的HiSPi协议，采用12 x 12 mm mPLCC封装，最大限度地实现价格与性能的平衡。AR0521目前已大量用于模拟、IPC、安防等市场，在全景、运动DV等市场的应用也在开发中。为了保证客户产品开发的连续性，安森美半导体在不久的将来还会推出AR0521的增强版本，使得850nm处效率达到40%，940nm则也翻倍达到20%。
　　图2展示了AR0521分别于100 lux和微光1 lux光照条件下的成像，可以看出其在两种光照条件下的噪声控制、细节保留、色彩还原等方面的表现都相当出色。
　　
　　图2：AR0521分别于100 lux和1 lux光照条件下的成像
　　物联网图像传感器用于扫描应用
　　扫描市场通过技术互联使得产品的应用范围从传统的固定活检、工业扫描扩展至如今流行的快递、微信、支付宝扫码等等。随着扫描需求的不断增加，以及从目前的2D到未来的3D扫描，都对图像传感器提出了新的要求。
　　全局快门和卷帘快门是图像传感器的两种曝光方式。卷帘快门采用逐行曝光的方式，当物体移动时抓拍会产生变形和扭曲的图像，而全局快门用所有像素点于同一时间捕获影像数据的方式取代逐行曝光，最大限度地消除在移动抓拍中物体的伪影。随着市场要求的提高，对全局快门图像传感器的需求会越来越多。全局快门要求像素内（in-pixel）存储，这为图像传感器的设计带来很多挑战，如存储单元占用像素面积，会影响像素表现，又如光与存储区的干扰隔离，同时，全局快门需要更快的读取速度。
　　针对扫描市场，安森美半导体提供优质的全局快门系列产品，可捕获快速移动的的对象，主要应用于扫码的VGA、100万像素及更高像素输出，产品经市场验证，质量、信用及技术水平都得到客户的广泛认可，目前占据超过40%的市场份额。为了更全面地协助客户，安森美半导体还提供完整的方案，包括整套的开发工具，以便客户评估、开发、验证，并持续创新。
　　对于用于扫描应用的图像传感器有两个关键的技术指标：线性满井电荷容量（LFW）和全局快门效率（GSE）。以安森美半导体的AR0144全局快门传感器为例，该器件提供最佳的3.0 um全局快门像素表现，LFW和GSE比竞争器件分别好2倍和5倍，从而可实现用更小的像素面积达到同样甚或更高的灵敏度，同时对动态范围、芯片大小、成本等方面都有极大的优化。而GSE越高，表明图像受残存电荷的影响越小，捕获的图像越均匀、真实。
　　AR0144是100万像素、3.0 um全局快门传感器，光学尺寸1/4”，分辨率1280 x 800，最大帧率60 fps，采用2通道MIPI或并行接口，支持黑白和彩色版本，主光线角度（CRA）支持0度及25度，读取噪声低至3.7e-，在60C结温的暗电流低至105 e-/秒，并具备低功耗和小封装尺寸，除了用于条码扫描，在玩具/游戏、无人机等市场也有广泛的应用。
　　
　　图3：AR0144的关键性能、优势及终端应用
　　AR0135是1/3”英寸、130万像素、3.75 um全局快门高性能传感器，采用并行或HiSPi输出接口，具有黑白和彩色版本，并提供通过汽车级认证的版本，适用于对图像要求较高的扫描应用。
　　
　　图4：AR0135的关键性能、优势及终端应用
　　PYTHON480是高速曝光的VGA全局快门传感器，专为适应扫描、无人机等市场而设计，分辨率800 x 600，最大帧率120 fps，像素大小4.8 um，采用安森美半导体专有的像素内相关双采样全局快门技术，具备低读取噪声、低功耗、高灵敏度、高动态范围、高量子效率和紧凑的光学格式，适用于成本和尺寸敏感及电池供电的应用。
　　
　　图5：PYTHON480的关键性能及优势
　　工业物联网之图像传感器
　　工业物联网涉及检验系统、车牌识别、监控、科学研究、智能交通、机器人导引、运动分析等许多应用。工业4.0、自动化、机器人等都需要工业摄像机作为信息采集来源。该领域的成像要求因终端应用而异。更高性能意味着具备更高分辨率、更高帧率、更小光学格式、更高灵敏度、更准确的色彩还原等，但很难有同时具备所有高性能特点的器件，即使有，成本也会相当高。因而需要根据不同的终端应用，有针对性地选择最应考虑的方面来提升性能。
　　针对这一挑战，安森美半导体提供同时具有优异的影像质量、多种分辨率选项、高带宽能力（高分辨率+帧率）、配置（黑白、彩色、近红外NIR等）选项、简化设计和具性价比的单个摄像机平台PYTHON系列。
　　PYTHON系列具有以下优势：
　　1、采用全局快门、像素内双采样和片上固定模式噪声（FPN）校正技术，拥有先进的成像品质；
　　2、高灵敏度设计：高量子效率，具备黑白、彩色和增强的NIR灵敏度等多种配置；
　　3、高带宽：多达32个低压差分信号（LVDS）通道，满足现代接口，数据速度超过20 GB/s；
　　4、窗口读取（ROI）：支持多达32个可编程ROI，帧与帧之间可配置，实现二次速度增加；
　　5、多配置选项：支持CSP、pLCC封装选项，提供低功耗版本以降低成本，并提供带或不带保护膜选项，以及彩色、黑白、增强的NIR版本
　　6、仅需两块PCB就能制造36种摄像机，覆盖从VGA至2500万像素的9个分辨率。如PYTHON 300、PYTHON 500、PYTHON 1300共用一个封装，PYTHON 2000、PYTHON 5000共用一个封装，而这两种封装又可共用设计为ISP8的复合封装，从而实现5个分辨率共用一块PCB。另外，PYTHON 10K、12K、16K、25K共用一个封装。这样通过单个摄像机实现多个配置的设计，大大节省了开发时间。
　　
　　图6：PYTHON系列全局快门CMOS传感器关键规格
　　输出接口方面，PYTHON系列支持LVDS、并行和低成本三种版本。
　　总结
　　图像传感器是万物之“眼”。安森美半导体是物联网成像应用领域的佼佼者，提供宽广的图像传感器阵容和先进的成像技术，满足物联网多个细分领域的成像需求，尤其在汽车成像、先进驾驶辅助系统、条码扫描、机器视觉、安防及太空等成像领域称冠全球，并利用在成像领域的经验和专长不断创新以配合市场趋势，辅以在上海的影像工程方案中心和在北京、上海、深圳的现场应用工程团队，为客户提供完整的参考设计及功能模块的设计和验证等全方位支持，帮助客户加快开发进程。