Explicación del obturador global de cuarta generación y por qué los sensores de imagen integrados necesitan mejores métricas de rendimiento

Los sensores de imagen están evolucionando de tres formas principales:más funcionalidad del sistema con el auge del Internet de las cosas (IoT); implementación de nuevas características como polarización en chip y sensores hiperespectrales, que pueden ver más que a simple vista; y, posiblemente el más fundamental de los avances para la mayoría de las aplicaciones de visión artificial, es la necesidad de capturar a resoluciones cada vez mayores, y hacerlo más rápido.

Este artículo analiza la evolución de los sensores de imagen GS-CMOS, incluido lo que se puede esperar de la tecnología de obturador global de cuarta generación, que se lanzará próximamente, y su papel en la mejora del rendimiento de las imágenes.

Los sensores de imagen CMOS de obturador global se lanzaron por primera vez hace aproximadamente una década y desde entonces han desempeñado un papel crucial al permitir el rendimiento acelerado de los procesos de fabricación de alta velocidad. La tecnología no solo dio una salida digital, sino que también evitó la distorsión espacial causada por el efecto de persiana.

La tecnología ha evolucionado rápidamente para brindar una mayor calidad de imagen, con los sensores de primera generación entregando solo 2.4 megapíxeles en su formato de 1 / 1.2 ”(tamaño de píxel de 5.86 µm). Las demandas de resolución significaron que los ingenieros crearon el tamaño de píxel del sensor de segunda generación de 3,45 µm, lo que permite a Sony cubrir resoluciones de 0,4 a 31 megapíxeles.

Pero a medida que el tamaño de los píxeles se reduce, también lo hace la cantidad de luz que llega a cada píxel en el sensor, lo que reduce la capacidad de saturación.

Con la tercera generación, se buscó un equilibrio óptimo entre estos factores en competencia:aumentar ligeramente el tamaño de píxel (a 4.5 µm) y, por lo tanto, aumentar la capacidad de saturación más cerca de los dispositivos de primera generación, al mismo tiempo que se mejora el rango dinámico y la velocidad.

Con la finalización de los píxeles de la primera a la tercera generación, Sony creó un portafolio de resolución y tamaño óptico que cubría la línea de CCD heredada que se estaba descontinuando.

Un enfoque holístico para la captura de imágenes

Los sistemas de visión artificial no solo necesitan capturar imágenes detalladas para su análisis, también necesitan capturar la información correcta, transferir esta información a una computadora y hacerlo a velocidades excepcionalmente altas.

La velocidad de fotogramas de lectura del sensor (tanto como el estándar de transmisión utilizado) es, por lo tanto, un elemento crucial en este proceso. Pero también lo son las funciones que se integran en cada nueva generación de sensores de imagen GS-CMOS. La generación 1 incluyó el obturador global, para eliminar los artefactos de movimiento; y una función de región de interés de varios fotogramas (ROI), que permite pasar un subconjunto de datos a la computadora para su análisis.

La Generación 2 agregó activadores de exposición múltiple, lo que permite capturar múltiples exposiciones dentro de un marco de imagen para garantizar que las imágenes capturan una mayor profundidad de información, y redujo el tiempo de exposición mínimo a solo 2 µs.

La Generación 3 incluyó un ADC dual y un disparador dual, lo que permitió una imagen de alta y baja ganancia tomada en el mismo cuadro y cada una de ellas podía dispararse de forma independiente. Además, se incorporó una ganancia de conversión en el sensor para equilibrar mejor la sensibilidad, la capacidad de saturación y el rango dinámico para hacer frente a condiciones de luz baja y brillante. Finalmente, se agregó un auto-disparador, con un ROI actuando como disparador para otro.

Invertir el sensor

Si bien aún es posible aumentar el número total de píxeles aumentando el tamaño del sensor de imagen, la mayoría de las aplicaciones de visión artificial usan una cámara con montura C que usa un sensor de tipo de 1 pulgada (16 mm de diagonal).

Las primeras tres generaciones de sensores de imagen GS-CMOS utilizaron una estructura de píxeles con iluminación frontal (ver figura 1), con luz que ingresaba a la lente, antes de atravesar la capa de cableado metálico y pasar al fotodiodo sensible a la luz.

Esto reduce la luz que llega a la capa de fotodiodo y una proporción de la luz que entra en la lente se dirige hacia la capa de cableado metálico.

Un enfoque alternativo que se está adoptando para el GS-CMOS de cuarta generación es invertir las capas de fotodiodos sensibles a la luz y de cableado metálico para crear una estructura de píxeles retroiluminada y facilitar la detección de fotones (ver figura 2). .

Esta estructura invertida permite reducir el tamaño de los píxeles a aproximadamente un 63% en comparación con el sensor frontal iluminado convencional (2,74 µm) sin reducir las características de saturación.

Además, esta inversión permite que los circuitos que eran periféricos se coloquen en la parte posterior del sensor. Esto permite aumentar la resolución, de 12 MP a 20 MP, mientras que el tamaño del paquete se redujo a aproximadamente un 91%; incluso cuando se utiliza el mismo sistema óptico que los modelos anteriores (ver figura 3).

Funciones de cuarta generación y velocidades de fotogramas de lectura

La estructura de píxeles retroiluminada invertida también brinda la capacidad de implementar un diseño de cableado altamente flexible y, al combinarlo con una interfaz de alta velocidad de señalización de bajo voltaje escalable con reloj integrado (SLVS-EC), es posible mejorar significativamente la velocidad de cuadros de lectura. . Teniendo en cuenta las imágenes de mayor resolución que se transmiten, la velocidad de fotogramas de lectura puede ser casi 2,4 veces más rápida que la de los sensores convencionales.

Las características adicionales implementadas en los sensores de cuarta generación incluyen una combinación en el sensor de datos ADC duales, lo que permite crear una imagen HDR (alto rango dinámico) a partir de las capturas de baja y alta ganancia. La velocidad del obturador se ha acelerado, con el tiempo entre obturadores reducido a solo 2 µs.

Conclusión

Para implementar un alto grado de automatización que permita avances como reemplazar la inspección visual en fábricas y almacenes y en otras aplicaciones de automatización y distribución de fábrica, la inspección y el reconocimiento deben ser más precisos y rápidos, lo que permite una mayor eficiencia.

El sensor de cuarta generación es un gran paso adelante para la industria y para la automatización industrial en general, ya que permite mejores imágenes y un mayor conjunto de características en el chip que mejoran el control de calidad y la velocidad de los procesos de fabricación industrial.

Sin embargo, esta necesidad de una mayor velocidad y precisión de fabricación continuará, y hay un problema en el horizonte que debe abordarse antes de que se convierta en un problema.

Como hemos visto, los fabricantes de sensores pueden reducir el tamaño de los píxeles más allá de ese punto óptimo. De hecho, se puede argumentar que existe un interés comercial para que algunos lo hagan; aprovechando el uso que hacen los no especialistas como una métrica de proxy (a menudo la única métrica) para cuantificar la calidad de imagen de su sistema.

Nosotros, como industria, debemos trabajar juntos para ofrecer una mejor métrica alternativa. Uno que tenga en cuenta la naturaleza compleja de la imagen industrial. Uno que mira de manera más integral la calidad y el conteo. Y, en última instancia, uno que sea tan fácil de entender como el simple recuento de píxeles.