适用于高速应用的先进全局快门图像传感器

在需要使用有源像素阵列CMOS 数字图像传感器来设计解决方案时，必须考虑大量传感器规格。 例如，传感器的分辨率、光学格式、快门类型、最大帧率、动态范围、信噪比（SNR）和像素结构等等。 更复杂的是，还要考虑传感器的特性/功能，如功耗、接口、封装类型、板载HDR 处理和感兴趣的区域。 最佳选择并不总是一目了然。

为了帮助筛选这些规格和功能，一个重要的考虑因素是传感器的预期应用。某些应用需要非常高的分辨率来捕捉静止物体，而另一些应用则需要检测快速移动的物体，并能够再现"定格"效果。另一个重要的应用考虑因素是功耗要求。对于固定安装情况下，传感器的功耗可能并不重要。但在便携式应用中，传感器必须使用电池工作，因此传感器的能效变得至关重要。

在选择传感器时，最合适的出发点是应用的速度，即物体移动的速度。因为这将决定所需的快门类型。在数字图像传感器领域，主要只有两种选择：卷帘快门和全局快门。

图像传感器注意事项

卷帘快门

数字图像传感器是按行排列的像素阵列。使用卷帘快门图像传感器时，阵列中的每一行从阵列顶部到底部依次逐行曝光。换句话说，相邻行的曝光时间略有不同（称为行时间），相邻行之间的时间差约为10 微秒。

与卷帘快门完全不同的是，全局快门同时曝光阵列中的每个像素。这些传感器必须具备带有"存储节点"的像素，能够在整个传感器读出过程中存储电荷。卷帘快门和全局快门各有利弊。

与全局快门相比，卷帘快门更具成本效益且更易于实现。在全局快门传感器中，存储节点容易受到杂光的影响，因此噪声往往会更高。此外，存储节点位于像素旁边，这给像素尺寸带来了限制。与此相对应，卷帘快门的缺点是在捕捉快速移动物体时容易有运动伪影。

由于卷帘快门阵列采用按顺序曝光的方式，因此在拍摄移动物体时会出现空间失真。同样，由于阵列的不同区域是在不同时间（可能是在不同的光照条件下）拍摄的，它们还可能受到不相关光照的影响。

因此，卷帘快门阵列在捕捉移动物体方面表现不佳，但在静态的高分辨率应用中却是一个极佳的选择。

全局快门

全局快门适用于卷帘快门表现不佳的场景，包括快速移动的物体，尤其是高角速度的物体。全局快门表现出色的应用包括增强视觉(AV)、虚拟现实(VR)、机器视觉(MV) 以及任何存在高振动的环境，如条形码扫描仪和机器人应用。

全局快门还具有其他优点：由于整个阵列是同时曝光的，因此全局快门可以直接与其他全局快门或光源（如闪光灯）同步。由于全局快门无需处理不相关的光照，因此也更容易实现自动曝光控制。

全局快门性能考虑因素

评估全局快门性能的第一步是参考其已展示的指标。在评估全局快门传感器时，需要考虑以应用为导向的指标和以性能为导向的指标。应用导向指标可帮助您选择特定产品系列中适合特定应用的传感器，而性能导向指标则可帮助您比较不同制造商的产品。

最简单的方法是从应用导向指标入手。由最终用途决定的五个主要指标如下：

1. 分辨率

2. 光学格式

3. 全局快门效率（GSE）

4. 帧率

5. 功耗

这五项指标的优先级将根据最终用途的具体要求而有所不同。例如，一个高分辨率的应用可能需要200万像素（MP）的分辨率和1/2.8英寸的光学格式，而一个低分辨率的应用可能只需要VGA分辨率和1/8英寸的光学格式。

帧率

帧率是以每秒帧数（frames per second, fps）来衡量的，它表示传感器在一秒钟内可以拍摄的图像数量。拍摄移动较快的物体时需要较高的帧率，以避免模糊。

全局快门效率（GSE）

如上所述，GSE是一个比率，表示全局快门抑制杂光的能力。它通常是在特定波长和光圈（f/stop）设置下指定的。数值越大表示性能越好。

能效

消费类应用中的低功耗优化在开发中至关重要，尤其是增强现实（AR）、虚拟现实（VR）和混合现实（MR）头戴设备等应用。此外，自主移动机器人（AMR）和手持式条码扫描器也是工业领域用电池供电设备的几个例子。通过提高这些设备的能效，可以显著延长其工作寿命，从而减少充电频率并改善整体用户体验。其余指标以性能为导向，可用于比较不同制造商的产品。

信噪比(SNR)

信噪比以分贝（dB）为单位，并规定为一个最大值。它是衡量传感器在微小（即低光）信号情况下性能的一种方法。数值越大，性能越好。信噪比最大值SNRmax真实反映了线性满阱（linear full well，LFW），或者说基本上是一个像素所能捕捉到的光子数量。

动态范围

动态范围也以dB 为单位，表示最大可测量输入信号与最小可测量输入信号（即噪声水平）之比。 它表示传感器在同一场景中处理不同强度输入信号的能力。分贝值越高越好。隧道是需要高动态范围场景的良好示例，因为隧道内部可能较暗，而外部光线明亮。传感器需要能够适应在同一场景中的这两种情况。

除了性能指标外，某些应用可能要求传感器具有某些特性，以便能够执行特定功能或具有独特的能力。 并非所有的全局快门传感器都具备这些功能。应用的要求将决定需要哪些功能，以及可以考虑哪些传感器。

同步传感器

全局快门一次曝光整个传感器阵列的优点之一是，阵列曝光的瞬间可与其他事件（如其他传感器和闪光灯）精确同步。

通过同步传感器的"触发"模式，可以控制闪光灯进行精确的主动照明，或对多台摄像头进行同步，以实现立体或宽屏幕拍摄。

嵌入式自动曝光

自动曝光功能使得传感器能够根据给定的光照条件自动控制增益和曝光。自动曝光是传感器适应动态光照条件的基本功能。

通过将这一功能直接嵌入到传感器中，可以加快曝光控制，这样就能实现实时响应，而依赖主机控制则响应速度较慢。对于大多数高速应用来说，嵌入式自动曝光是必不可少的。

场景切换

场景切换功能使传感器能够根据不同的分辨率、增益、曝光和帧率，快速切换设置，以适应不同的成像场景。 在许多传感器中，这些 "场景"都已存储，并可在单个寄存器设置中动态更改。

可编程和可切换的感兴趣区（regions of interest，ROI）

图像中的区域是相关的像素集合，主要用于物体解析。ROI使传感器能够通过过滤掉其他部分来聚焦于某个特定区域。这是一种优化数据传输和处理的方法。可编程的ROI 使实时计算机视觉应用成为可能。

总结来说，应用导向指标、性能导向指标和特定功能可以结合使用，以帮助从一系列传感器中选择特定的全局快门传感器，并确定符合最终使用要求的传感器制造商。

Hyperlux SG 系列全局快门传感器

安森美（onsemi）开发了名为Hyperlux SG 的高性能小尺寸全局快门传感器系列，产品包括ARX383、AR0145和AR0235。Hyperlux SG 系列传感器将业界领先的全局快门效率（GSE）与低功耗操作相结合，是便携式、高振动应用的理想之选。

图 1 Hyperlux SG 图像传感器系列

Hyperlux SG系列采用了一种新颖且创新的全局快门像素设计，针对准确、快速地捕捉运动场景进行了优化。无论在弱光还是明亮的场景下，都能拍摄出清晰、低噪点的图像。

Hyperlux SG 传感器系列具有以下特性：

· 水平/垂直镜像、窗口化和像素合并

· 可编程感兴趣区域（ROI）

· 用于同步的片内触发模式

· 片上自动曝光

· 内置闪光灯控制

· 场景切换

· 跳行和跳列模式的灵活控制

传感器组合的分辨率从VGA（640 x 480）到 230万像素（1920 x 1200）不等，光学格式从1/8 英寸到1/2.8 英寸不等，帧率高达每秒120 帧，适用于各种高速成像应用。每种规格与其他同类产品相比都具有优势，正是由于它们结合了卓越的性能和功能，才使得Hyperlux 系列传感器在市场上独树一帜。这些传感器非常适合高速应用，包括条形码扫描、机器视觉、AMR、AGV、AV/VR/MR、无人机和3D 扫描。

图 2. Hyperlux SG 应用领域

为了促进产品教育和系统设计，还提供了一个全面的开发平台，可实现快速系统开发。它包括完整的测试功能，可在设计前对产品进行评估，并提供在设计阶段使用的参考设计。

全局快门传感器是高速图像应用的最佳选择。一旦选择了快门类型，仍有多种规格和功能可供选择，以确保传感器适合预期应用。

在评估全局快门传感器时，必须始终牢记的一个重要考虑因素是全局快门效率（GSE）。 如果没有足够高的GSE，所有其他规格加在一起仍可能在图像中产生不可接受的运动伪影。针对要求低功耗、高性能和高GSE 的应用，安森美开发了Hyperlux SG 系列全局快门传感器。

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