圖像傳感器是電子元器件最熱的方向之一，無論是智能手機(jī)、安防監(jiān)控、汽車電子還是工業(yè)應(yīng)用，都在大量采用，而且增速驚人。手機(jī)應(yīng)用上已經(jīng)普及了多攝像頭，但是單看傳感器的成本，五攝手機(jī)的圖像傳感器加起來，未必比一顆普通工業(yè)用傳感器貴，而單顆高速、高分辨率工業(yè)圖像傳感器價(jià)格則要到幾千美元，比主流旗艦手機(jī)整機(jī)還貴。工業(yè)圖像傳感器為何成本高昂?未來工業(yè)圖像傳感器將有哪些發(fā)展趨勢(shì)?請(qǐng)看安森美半導(dǎo)體的解讀。

　　近年來，機(jī)器視覺在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展非?？?，已經(jīng)從傳統(tǒng)汽車制造領(lǐng)域快速普及到電子產(chǎn)品、醫(yī)藥和食品等領(lǐng)域的生產(chǎn)制造流程中。根據(jù)MarketsandMarkets的預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)到2025年全球機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模將突破130億美元，國內(nèi)市場(chǎng)機(jī)器視覺的發(fā)展也極為活躍，根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的估計(jì)，到2026年我國機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模將突破300億元。

　　機(jī)器視覺在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，常用于四類功能：視覺引導(dǎo)與定位、模式有無識(shí)別檢測(cè)、精準(zhǔn)測(cè)量測(cè)距和產(chǎn)品外觀檢測(cè)等。概括的說，工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度，主要在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合，用機(jī)器視覺來替代人工視覺;同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。

　　圖像傳感器是機(jī)器視覺的核心零部件，其性能參數(shù)及功能對(duì)工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)影響很大，安森美(ON SEMI)半導(dǎo)體是全球領(lǐng)先的圖像傳感器廠商，其產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用在汽車與工業(yè)領(lǐng)域。近日，探索科技(techsugar)在中國機(jī)器視覺展(Vision China)上采訪了安森美半導(dǎo)體智能感知部大中華區(qū)市場(chǎng)經(jīng)理陶志，請(qǐng)她介紹了安森美圖像傳感器在工業(yè)應(yīng)用中的布局及關(guān)注發(fā)展方向。

　　工業(yè)成像對(duì)圖像傳感器的要求

　　據(jù)陶志介紹，和消費(fèi)電子領(lǐng)域相比，工業(yè)成像對(duì)圖像傳感器的要求多有不同。

　　首先，工作環(huán)境不同，消費(fèi)級(jí)傳感器工作溫度范圍一般是0℃至70℃，而工業(yè)級(jí)則要求-40℃至85℃，對(duì)元器件的可靠性要求也更高。

　　其次，工業(yè)成像一般是用機(jī)器對(duì)采集來的圖像進(jìn)行分析，因此要求成像清晰、邊緣明確。這就要求傳感器對(duì)光的響應(yīng)量子效率(QE)要高，像素要大，最好有足夠大的滿井電荷容量可以滿足客戶長(zhǎng)曝光或者高光照條件下的需求。在硅片檢測(cè)、光伏檢測(cè)和屏幕檢測(cè)過程中，通常要面臨長(zhǎng)曝光或高光照的工作條件。

　　第三，工業(yè)成像很多場(chǎng)景需要傳感器能支持短曝光、高幀率，因此常采用全局快門。這是因?yàn)橹圃鞓I(yè)都對(duì)生產(chǎn)效率有很高的要求，工廠產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)速度都特別快，當(dāng)被測(cè)工件從傳送帶上移動(dòng)過來時(shí)，工業(yè)相機(jī)通常要能快速地連續(xù)抓拍幾幀圖像，并快速讀出數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，還要留給算法軟件足夠的時(shí)間去分析并作出判斷，并準(zhǔn)備好對(duì)傳送帶上的下一個(gè)工件進(jìn)行抓拍。這些要求在3C檢測(cè)中很常見，所以此類應(yīng)用對(duì)拍照速度要求極高。

　　第四，標(biāo)準(zhǔn)組織的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(例如EMVA1288)也對(duì)工業(yè)級(jí)傳感器參數(shù)給出了具體要求。EMVA 1288的全稱是European Machine Vision Association 1288，是歐洲機(jī)器視覺協(xié)會(huì)制定的關(guān)于圖像傳感器和相機(jī)的一套性能表征標(biāo)準(zhǔn)。在工業(yè)級(jí)應(yīng)用中，對(duì)圖像傳感器的圖像響應(yīng)一致性(Photo Response Nonuniformity，簡(jiǎn)稱RPNU)、噪聲參數(shù)，乃至壞點(diǎn)壞線都有比較高的要求。

　　第五，與手機(jī)等消費(fèi)類應(yīng)用主要工作在主動(dòng)模式拍攝不同，工業(yè)相機(jī)檢測(cè)需要同步外部光源，這樣圖像傳感器基本都需要工作在觸發(fā)(trigger)模式，即被動(dòng)模式。傳感器在外部同步信號(hào)使能或探測(cè)到被測(cè)部件到來時(shí)再啟動(dòng)拍攝，可以減少傳感器實(shí)際工作時(shí)長(zhǎng)，增加傳感器工作壽命。

　　值得關(guān)注的工業(yè)成像發(fā)展趨勢(shì)

　　陶志表示，安森美半導(dǎo)體堅(jiān)定看好機(jī)器視覺未來的發(fā)展。目前，全球都非常重視工業(yè)、制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，這為工業(yè)成像技術(shù)發(fā)展指明了方向，而不同的工業(yè)應(yīng)用，也對(duì)傳感器提出差異化要求。

　　第一，高精度檢測(cè)對(duì)圖像傳感器像素要求越來越高。在平板檢測(cè)領(lǐng)域，由于平板技術(shù)的持續(xù)改變，使得平板檢測(cè)功能對(duì)圖像傳感器的要求不斷提高。面板分辨率從以往的1080P、2K，發(fā)展到現(xiàn)在的4K、8K，屏幕材質(zhì)也從LCD發(fā)展到OLED、AMOLED，在生產(chǎn)過程中，要求能將平板顯示器像素和像素之間發(fā)光強(qiáng)度和色彩均勻度都能夠很準(zhǔn)確地偵測(cè)出來。過去檢測(cè)LCD面板上的1顆R，G，B像元，需要對(duì)應(yīng)9個(gè)圖像傳感器上的像素(3×3)，現(xiàn)在的OLED面板上檢測(cè)一個(gè)LED的R，G，B像元?jiǎng)t對(duì)應(yīng)需要16個(gè)像素(4×4)，甚至25顆(5×5)像素。所以，平板檢測(cè)對(duì)圖像傳感器的像素要求越來越高，需求已從以前的3000萬像素，到現(xiàn)在的上億顆像素。

　　第二，工業(yè)檢測(cè)對(duì)傳感器分辨率和幀率要求越來越高。在晶圓檢測(cè)、太陽能光伏面板檢測(cè)和線路板組裝(PCBA)的表面貼工藝(SMT)檢測(cè)等應(yīng)用中，都對(duì)生產(chǎn)效率有較高要求。在單位時(shí)間內(nèi)所能檢測(cè)的線路板面積越大，生產(chǎn)效率就會(huì)越高，這就需要圖像傳感器能在單位時(shí)間內(nèi)收集更多的信息量，因此就需要在此類應(yīng)用中的傳感器分辨率高、幀率高。

　　第三，立體檢測(cè)中需要能抓取圖像傳感器的深度信息。三維圖像的實(shí)現(xiàn)，可以利用激光雷達(dá)直接輸出點(diǎn)云來獲知深度信息，也可以利用經(jīng)濟(jì)型全局快門圖像傳感器構(gòu)成的雙目、結(jié)構(gòu)光方案來實(shí)現(xiàn)。此外，安森美有獨(dú)家超深像素(super depth pixel)技術(shù)，非常適合3D相機(jī)對(duì)傳感器的大像元、高幀率要求。

　　第四，很多工業(yè)檢測(cè)已經(jīng)突破可見光區(qū)域，因此需要硅基圖像傳感器能加強(qiáng)近紅外波段的量子效率。近紅外增強(qiáng)功能在物料成分分析以及運(yùn)動(dòng)軌跡抓拍中應(yīng)用很普遍。

　　第五，工業(yè)視覺應(yīng)用中將大量運(yùn)用人工智能技術(shù)?？梢哉f，工業(yè)領(lǐng)域中的絕大多數(shù)人工智能應(yīng)用都與機(jī)器視覺技術(shù)有關(guān)，從業(yè)者期望使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在自動(dòng)化生產(chǎn)線上進(jìn)行視覺處理的訓(xùn)練，以獲得標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)作和質(zhì)量數(shù)據(jù)，越來越多替代手動(dòng)操作部分。

　　陶志表示，安森美在機(jī)器視覺領(lǐng)域耕耘很久，業(yè)界對(duì)安森美的解決方案接受度很高。國內(nèi)機(jī)器視覺剛起步時(shí)，就有很多工業(yè)方案選擇了安森美的CCD和CMOS產(chǎn)品，例如PYTHON25K CMOS方案就被廣泛應(yīng)用在高鐵上，用于檢測(cè)高鐵電網(wǎng)的接觸狀況。在展會(huì)現(xiàn)場(chǎng)展示中，利用XGS5000高幀率特性展示了高速生產(chǎn)線檢測(cè)案例，也有客戶開發(fā)了在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，比如新冠檢測(cè)設(shè)備和醫(yī)藥生產(chǎn)線檢測(cè)。而近日登陸火星的美國“毅力號(hào)“火星車，一共用了23顆相機(jī)，其中10顆相機(jī)的傳感器來自安森美的PYTHON系列CMOS傳感器和CCD傳感器。