Penjelasan rana global generasi keempat, dan mengapa sensor gambar yang disematkan memerlukan metrik kinerja yang lebih baik

Sensor gambar berkembang dalam tiga cara inti:fungsionalitas sistem yang lebih canggih dengan munculnya internet of things (IoT); implementasi fitur baru seperti polarisasi on-chip dan sensor hiperspektral, yang dapat melihat lebih dari sekadar mata telanjang; dan, mungkin kemajuan paling mendasar untuk sebagian besar aplikasi machine vision, adalah kebutuhan untuk menangkap resolusi yang semakin besar – dan melakukannya dengan lebih cepat.

Artikel ini membahas evolusi sensor gambar GS-CMOS, termasuk apa yang diharapkan dari teknologi rana global generasi keempat yang akan segera diluncurkan, dan perannya dalam meningkatkan kinerja pencitraan.

Sensor gambar CMOS rana global pertama kali diluncurkan kira-kira satu dekade lalu, dan sejak itu telah memainkan peran penting dalam memungkinkan percepatan proses manufaktur berkecepatan tinggi. Teknologi ini tidak hanya memberikan output digital, tetapi juga menghindari distorsi spasial yang disebabkan oleh efek rana bergulir.

Teknologi ini telah berkembang dengan cepat untuk memberikan kualitas gambar yang lebih baik, dengan sensor generasi pertama yang menghasilkan hanya 2,4 megapiksel dalam format 1/1.2” (ukuran piksel 5,86 m). Tuntutan pada resolusi membuat para insinyur menciptakan ukuran piksel sensor generasi kedua sebesar 3,45 m yang memungkinkan Sony untuk mencakup resolusi dari 0,4 hingga 31 megapiksel.

Namun seiring dengan mengecilnya ukuran piksel, jumlah cahaya yang mencapai setiap piksel di sensor juga berkurang – mengurangi kapasitas saturasi.

Dengan generasi ketiga, keseimbangan optimal dicari antara faktor-faktor yang bersaing ini:sedikit meningkatkan ukuran piksel (menjadi 4,5 m), dan dengan demikian meningkatkan kapasitas saturasi lebih dekat ke perangkat generasi pertama, sementara juga meningkatkan jangkauan dan kecepatan dinamis.

Dengan penyelesaian piksel generasi pertama hingga ketiga, Sony menciptakan portofolio resolusi dan ukuran optik yang mencakup jajaran CCD lama yang sedang dihentikan.

Pendekatan holistik untuk pengambilan gambar

Sistem penglihatan mesin tidak hanya perlu menangkap gambar mendetail untuk analisis, mereka juga perlu menangkap informasi yang tepat, mentransfer informasi ini ke komputer, dan melakukannya dengan kecepatan yang sangat tinggi.

Oleh karena itu, kecepatan bingkai pembacaan sensor (sebanyak standar transmisi yang digunakan) merupakan elemen penting dalam proses ini. Namun begitu juga fitur yang disematkan di setiap generasi baru sensor gambar GS-CMOS. Generasi 1 menyertakan rana global, untuk menghilangkan artefak gerakan; dan fitur multi-frame region of interest (ROI), yang memungkinkan subset data diteruskan ke komputer untuk dianalisis.

Generasi 2 menambahkan pemicu multi-eksposur, memungkinkan beberapa eksposur ditangkap dalam satu bingkai gambar untuk memastikan gambar menangkap informasi yang lebih mendalam – dan mengurangi waktu eksposur minimum menjadi hanya 2 s.

Generasi 3 menyertakan ADC ganda dan pemicu ganda, yang memungkinkan gambar dengan gain rendah dan tinggi yang diambil pada bingkai yang sama dengan masing-masing dapat dipicu secara independen. Selain itu, penguatan konversi pada sensor disematkan untuk menyeimbangkan sensitivitas, kapasitas saturasi, dan rentang dinamis yang lebih baik untuk mengatasi kondisi cahaya redup dan terang. Terakhir, pemicu otomatis ditambahkan, dengan satu ROI bertindak sebagai pemicu untuk yang lain.

Membalikkan sensor

Meskipun masih mungkin untuk meningkatkan jumlah piksel secara keseluruhan dengan meningkatkan ukuran sensor gambar, sebagian besar aplikasi machine vision menggunakan kamera C-mount yang menggunakan sensor tipe 1 inci (diagonal 16 mm).

Tiga generasi pertama sensor gambar GS-CMOS menggunakan struktur piksel bercahaya depan (lihat gambar 1), dengan cahaya masuk ke lensa, sebelum melewati lapisan kabel logam dan ke fotodioda peka cahaya.

Ini mengurangi cahaya yang mencapai lapisan fotodioda dengan proporsi cahaya yang masuk ke lensa diarahkan ke lapisan kabel logam.

Pendekatan alternatif yang diadopsi untuk GS-CMOS generasi keempat adalah dengan membalikkan lapisan kabel-logam dan fotodioda peka cahaya untuk menciptakan struktur piksel bercahaya belakang dan mempermudah pendeteksian foton (lihat gambar 2) .

Struktur terbalik ini memungkinkan ukuran piksel dikurangi menjadi sekitar 63% dibandingkan sensor iluminasi depan konvensional (2,74µm) tanpa mengurangi karakteristik saturasi.

Selain itu, inversi ini memungkinkan rangkaian periferal diatur di bagian belakang sensor. Hal ini memungkinkan resolusi ditingkatkan – dari 12 MP menjadi 20 MP – sementara ukuran paket dikurangi menjadi sekitar 91%; bahkan saat menggunakan sistem optik yang sama seperti model sebelumnya (lihat gambar 3).

Fitur generasi keempat dan kecepatan bingkai pembacaan

Struktur piksel back-illuminated terbalik juga memberikan kemampuan untuk menerapkan tata letak kabel yang sangat fleksibel dan dengan menggabungkan ini dengan sinyal tegangan rendah yang dapat diskalakan dengan antarmuka kecepatan tinggi jam tertanam (SLVS-EC), dimungkinkan untuk secara signifikan meningkatkan kecepatan bingkai pembacaan . Dengan mempertimbangkan gambar beresolusi lebih tinggi yang ditransmisikan, kecepatan bingkai pembacaan bisa hampir 2,4 kali lebih cepat daripada sensor konvensional.

Fitur tambahan yang diterapkan pada sensor generasi keempat mencakup kombinasi data ADC ganda pada sensor, yang memungkinkan gambar HDR (rentang dinamis tinggi) dibuat dari tangkapan dengan gain rendah dan tinggi. Kecepatan rana telah dipercepat, dengan waktu antara rana turun menjadi hanya 2 s.

Kesimpulan

Untuk menerapkan otomatisasi tingkat tinggi yang memungkinkan kemajuan seperti mengganti inspeksi visual di pabrik dan gudang serta dalam aplikasi otomatisasi dan distribusi pabrik lainnya, inspeksi dan pengenalan harus lebih tepat dan lebih cepat, sehingga memungkinkan efisiensi yang lebih besar.

Sensor generasi keempat adalah lompatan besar ke depan bagi industri dan otomatisasi industri secara umum – memungkinkan gambar yang lebih baik dan serangkaian fitur on-chip yang meningkatkan kontrol kualitas dan kecepatan proses manufaktur industri.

Namun, kebutuhan akan kecepatan dan akurasi manufaktur yang lebih besar ini akan terus berlanjut, dan ada masalah yang perlu diatasi sebelum menjadi masalah.

Seperti yang telah kita lihat, produsen sensor dapat mengecilkan ukuran piksel di luar titik optimal itu. Memang, dapat dikatakan bahwa ada kepentingan komersial bagi beberapa orang untuk melakukannya; memanfaatkan penggunaan non-spesialis sebagai metrik proxy (seringkali satu-satunya metrik) untuk mengukur kualitas gambar sistem mereka.

Kami sebagai industri perlu bekerja sama untuk memberikan metrik alternatif yang lebih baik. Salah satu yang memperhitungkan sifat kompleks pencitraan industri. Salah satu yang terlihat lebih holistik pada kualitas dan hitungan. Dan pada akhirnya, yang mudah dipahami hanya dengan jumlah piksel.