可是在實現嶄新的大型技術集成之前

，必需掃除兩個主要發展障礙—芯片的熱量管理和功耗。

 

現在，先進的前照(front side illuminated ，FSI) CMOS傳chuan感gan器qi集ji成cheng了le模mo擬ni和he數shu字zi功gong能neng，實shi現xian了le成cheng本ben和he效xiao能neng兼jian具ju的de解jie決jue方fang案an。能neng夠gou達da成cheng這zhe些xie目mu標biao
，關guan鍵jian在zai於yu把ba有you利li於yu係xi統tong效xiao能neng及ji嵌qian入ru到dao圖tu像xiang傳chuan感gan器qiSOC等各種因素的巧妙分隔。在這裏，分隔圖像係統應用以及諸如CPU、FPGA和DSP等deng已yi有you圖tu像xiang處chu理li器qi件jian的de角jiao色se是shi核he心xin因yin素su，因yin功gong能neng重zhong覆fu會hui導dao致zhi成cheng本ben上shang升sheng。而er開kai發fa一yi個ge能neng夠gou為wei目mu標biao應ying用yong市shi場chang提ti供gong可ke行xing方fang案an
，以yi達da到dao大da規gui模mo量liang產chan(以實現最低生產成本)的標準圖像SOC產品，事前需要兩個模塊的深入對話。

 

終端相機產品的主要的市場參與者，包括硬件、軟件、係xi統tong建jian構gou者zhe和he光guang學xue工gong程cheng師shi

，以yi及ji一yi個ge多duo範fan疇chou的de圖tu像xiang傳chuan感gan器qi開kai發fa隊dui伍wu，都dou在zai貢gong獻xian著zhe各ge自zi在zai半ban導dao體ti科ke技ji和he終zhong端duan相xiang機ji產chan品pin技ji術shu和he應ying用yong的de知zhi識shi，尋xun找zhao創chuang新xin的de產chan品pin解jie決jue方fang案an。

 

本文將介紹一款麵向條形碼讀碼器和其它嵌入式視覺應用的CMOS圖像傳感器係列產品

、它們的應用實例，以及一些未來發展趨勢。

 

條形碼 – 現今最流行的編碼係統以及相關閱讀技術概況

 

在以節假日及季節性消費零售和網上購物的行業中
，物流運輸
、製造和批發等行業每日掃描逾50億個條形碼。隨著1970niandaiquanqiushougetiaoxingmazaiyibaokouxiangtangshangchuxian
，xianzaitaxianranshizuiliuxingdekedubianmaxitong
，bingqiebuduanfazhanxindeyingyongfanwei。yiweitiaoxingmashishougechuxiandetiaoxingma(並因印刷技術進步，麵積不斷變小)，而它仍然是主流技術，可見於零售、運輸和物流及其它行業的UPC(獨有產品碼)應用。二維條形碼有多種不同的規格，提供相較一維碼更多的可編程數據：一維碼最大可載入20-25字符

，且取決於條形碼類型；二維碼最大可以加載超過2000個字符。除了一般的寫入產品信息和明細功用外
，二維條形碼也寫入校驗和(checksum)yijiqitaxiaozhengjishu，yiquebaoduiyinshuacuowuhuoposundetiaoxingmayougengdaderongcuonengli。erweimazaiyixietedingxingyeyihuodedaliangyingyong

，ruzidonghuazhizaoxingye，lingjiandezhijiebujianbiaoshi(direct part marking ，DPM)等。

 

二維條形碼閱讀技術升級大約在15年前開始
，因為它能夠同時閱讀二維碼和一維碼
，並成為當今的市場主流。 

 

圖1：條形碼範例

 

圖2：不是所有二維碼閱讀器都有同樣的功能

 

不是所有二維碼閱讀器都有同樣的功能

 

條形碼驗證和解碼係統正在快速發展並不斷改進
，以提供更快、更緊湊、更低價格和更強大的閱讀功能。

 

雖(sui)然(ran)基(ji)於(yu)激(ji)光(guang)的(de)一(yi)維(wei)閱(yue)讀(du)器(qi)仍(reng)然(ran)在(zai)產(chan)和(he)使(shi)用(yong)，閱(yue)讀(du)係(xi)統(tong)最(zui)顯(xian)著(zhu)的(de)技(ji)術(shu)進(jin)步(bu)卻(que)是(shi)來(lai)自(zi)二(er)維(wei)閱(yue)讀(du)器(qi)。二(er)維(wei)閱(yue)讀(du)器(qi)通(tong)過(guo)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)，使(shi)得(de)它(ta)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)顯(xian)著(zhu)的(de)演(yan)算(suan)能(neng)力(li)，帶(dai)來(lai)之(zhi)前(qian)不(bu)可(ke)能(neng)出(chu)現(xian)的(de)附(fu)加(jia)功(gong)能(neng)。這(zhe)些(xie)功(gong)能(neng)包(bao)括(kuo)拍(pai)攝(she)照(zhao)片(pian)和(he)錄(lu)取(qu)視(shi)頻(pin)，以(yi)及(ji)加(jia)入(ru)更(geng)多(duo)先(xian)進(jin)功(gong)能(neng)，常(chang)見(jian)例(li)子(zi)包(bao)括(kuo)文(wen)件(jian)掃(sao)描(miao)、光學字符辨識(OCR，orthogonal character recognition)、物件辨認、尺寸量度
，以及更多其它功能。

 

Teledyne-e2v 的(de)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)一(yi)款(kuan)麵(mian)向(xiang)這(zhe)一(yi)市(shi)場(chang)上(shang)的(de)獨(du)特(te)產(chan)品(pin)，提(ti)供(gong)了(le)各(ge)種(zhong)二(er)維(wei)傳(chuan)感(gan)器(qi)選(xuan)項(xiang)以(yi)外(wai)的(de)更(geng)多(duo)優(you)勢(shi)。其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)主(zhu)要(yao)原(yuan)因(yin)是(shi)它(ta)經(jing)設(she)計(ji)專(zhuan)門(men)用(yong)於(yu)條(tiao)形(xing)碼(ma)閱(yue)讀(du)，而(er)不(bu)是(shi)一(yi)般(ban)麵(mian)向(xiang)多(duo)用(yong)途(tu)
、消費性或車用市場的產品。這意味著一種精確強大的解決方案，能夠滿足領先市場的條形碼閱讀器產品的一切要求。

 

Teledyne-e2v 近期開發出一小像素低噪聲全局快門CMOS圖像傳感器係列產品，擁有獨特功能，能夠為自動數據采集係統(Automatic Data Collection System

，ADCS)和自動辨識(Auto Identification，AI)市場應用帶來顯著成本節省及/或性能提升的方案。在這一市場區間，雖然傳感器單元成本是最重要的因素，但諸如照明 / 光學鏡頭的降成本方案也需要一並考慮。 

 

圖 3： Snappy 是用於工業條形碼閱讀器的CMOS圖像感測的一種創新麵向應用方法

 

 

二維碼閱讀係統要求非常快速的幀擷取圖像以避免拖影現象。這需要盡可能短的曝光時間。另一方麵，要獲得最大景深(depth of field 
，DOF) 或掃描範圍，往往會使用非常小光學孔徑(一般時F/8或更小)的鏡片。能夠進入圖像傳感器像素的非常小數目的光子結合很短的集成時間，意味著可以在低亮度應用中進行條形碼閱讀(見圖5)。而全局快門也有利於閱讀移動的條形碼。

 

影響終端閱讀器性能的主要傳感器參數因而特別適用於條形碼閱讀應用。圖 4 列出了一些主要的傳感器/條形碼閱讀性能要求
，並展示出Snappy傳感器係列作為專門應用CMOS圖像傳感器範例的優勢。 

 

 

圖4：Snappy麵向條形碼掃描功能的主要規格

 

信噪比

輻照(光子/像素)

圖 5： Snappy 傳感器的低亮度信噪比為減小係統照明光學能耗和成本提供優勢

 

溫升的影響

 

如果仔細一點觀察在25°C的溫度下，各種構成噪聲參數的組件之間的差異，以及這些組件在>65°C wenshengshidezhuangkuang

，mouxiezujiandecanshubiaoxianyoujuxianxing
，zaichuanganqixuanzeguochengzhongyingyuyikaolvwenshengdeyingxiang。kongjianxingliegudingdeduchuzaoshengshitiaoxingmayuedudeqizhongyigetebiezhongyaocanshu。kaolvdaogudingmoshizaoshengdexingzhuangyuzhixianhehengxianxiangsi，tamenrongyiyutiaoxingmachanshenghunxiao，huohuizaituxiangzhongdetiaoxingmaduqushijiarucuowudexinxi。

 

Snappy係列圖像傳感器使用先進的半導體工藝，在25°C時隻有少數暗信號光子
，而即便在65°C也隻測出每秒77個光子。這有助於行和列的內嵌固定模式噪聲消除算法
，即便在高工作溫度
，也能實現隻有幾個百分比的固定模式噪聲。

 

極低的讀出噪聲（結合時間和空間元素）典型數值為3個光子。即便在高溫環境下也不會惡化。如果傳感器在高溫下性能下降
，那意味著需要更多的照明，簡介提高了係統成本。 

 

獨有的黑白+彩色像素濾鏡模式—結合黑白和彩色像素的低亮高靈敏度數據的優勢

 

傳感器可以使用有彩色像素以便於加入附加的對象/標簽辨識功能，提供更多安全功能以避免假冒(spoofing)或條形碼本身不能閱讀的情況。不過，因為彩色傳感器的有機彩色濾鏡的較低傳送特性
，以及需要結合紅綠藍三色像素來製造“彩色”像素，這意味著相比於單色的圖像傳感器

，彩色禪觀棋有較低空間分辨率和較低靈敏度。Teledyne-e2v的Jadetuxiangchuanganqishiyigeyouqudechuangxin，tashiyongdansexiangsu
，danzaimeisigedansexiangsujiaruyigecaisexiangsu。zheyangjiunengbaocunyuedutiaoxingmazhiguanzhongyaodekongjianfenbianlvhelingmindu，tongshirangjiaodifenbianlvdecaisetuxiangbeitongshixiequ。 

 

圖6：創新色彩感測應用無需對閱讀性能作出折衷

 

創新嵌入式應用專有功能

 

實現快速(Snappy) 條形碼閱讀不單是幀讀出率的結果。雖然固定噪聲是一個限製因素， 但Snappy傳感器未有為此作出妥協。該傳感器提供8 bit位深接近每秒120幀的出色性能。獨有的通電模式確保器件在信噪比規格下擷取第一個圖像(或快速自曝光亞圖像)時已處於通電或候命狀態。這並不是一般車月手或麵向其它應用的全局快門CMOS傳感器的標準功能
，因為這意味著在完全穩定和達到數據表標明的信噪比功能數值前，係統必需棄置多個全幀圖像。 這一獨有的通電後首幀閱讀能力能夠為相機提供差異化因素，實現最高速條形碼閱讀，向終端用戶提供“快拍”式掃描
，為企業實現更高產能。以下將介紹在Snappy 傳感器係列中，Teledyne-e2v 成像團隊發明的兩個最具創新性的專利功能：它們經設計用於 終端產品掃描的超高速條形碼閱讀
、辨認和解碼應用。

 

1.快速自曝光(Fast Self Exposure，FSE) 模式(用於Snappy 2MP 和 5MP CMOS 傳感器)：

 

快速自曝光模式允許在變化光線下優化曝光時間 (見圖7)。相較於傳統的自動曝光模式
，FSE帶(dai)來(lai)更(geng)多(duo)融(rong)合(he)時(shi)間(jian)和(he)強(qiang)大(da)功(gong)能(neng)的(de)優(you)勢(shi)，包(bao)括(kuo)完(wan)全(quan)使(shi)用(yong)者(zhe)編(bian)程(cheng)並(bing)向(xiang)終(zhong)端(duan)用(yong)戶(hu)提(ti)供(gong)穩(wen)定(ding)快(kuai)速(su)閱(yue)讀(du)優(you)勢(shi)
，自(zi)適(shi)應(ying)任(ren)何(he)光(guang)源(yuan)或(huo)動(dong)態(tai)光(guang)源(yuan)環(huan)境(jing)，而(er)且(qie)對(dui)幀(zhen)率(lv)幾(ji)乎(hu)沒(mei)有(you)影(ying)響(xiang)。

 

圖7：用於條形碼閱讀和所有機器視覺應用的新型片上自動曝光方法

 

專利的FSE模式使用了多個片上部件實現以下功能：

 

(a) 獨有的縱向模數轉換器(ADC)允許在連續的行段設定4個不同的曝光時段，然後在整個陣列重複，產生4個具有不同曝光數值的低分辨率圖像。這一功能也可以用作一種強大的高動態範圍影像擷取功能。

(b) 橫向增量亞采樣，最大值1/64線

(c)  片上統計數據包含飽和像素數值，並同時提供一個16-bin直方圖輸出，可以在圖像注腳直接讀取開啟中的幀或區域的數據

(d) 取景窗口(ROI)模式可支持FSE子幀，多區域
，以及區域中區域

(e) 精細控製可使用直方圖數值

、平均值和二者的組合

(f) 可編程緩衝器提供直觀的使用者控製和設定

 

這些功能為終端應用帶來掃描速度的優勢
，因為FSE模式一般隻使用小於10%的幀時段。其他CMOS傳感器的傳統嵌入式自動曝光控製(AEC)使用漸近技術，避免閃爍(flashing)並提供目標圖像
，使得圖像融合速度較慢。在整個過程會耗費大量幀幅

，使得速度不能配合條形碼閱讀應用的要求。

 

2. 智能取景窗口(Smart ROI)模式 (用於Snappy  5MP 傳感器)：

 

智能取景窗口(Smart ROI) 使shi用yong片pian上shang算suan法fa來lai偵zhen側ce圖tu片pian上shang的de一yi個ge或huo多duo個ge條tiao形xing碼ma。而er條tiao形xing碼ma解jie碼ma圖tu像xiang處chu理li係xi統tong需xu要yao把ba載zai有you條tiao形xing碼ma的de範fan圍wei與yu其qi餘yu的de部bu份fen分fen別bie出chu來lai
，從cong而er對dui有you用yong的de部bu分fen進jin行xing處chu理li。這zhe一yi工gong作zuo一yi般ban是shi在zaiFPGA或CPU上進行，因為這一任務需要大量的閘/實時時鍾(RTC)和處理能力，導致額外的高成本，以及選擇處理引擎時所遇到複雜技術限製。

 

圖8：利用智能取景窗口(Smart_ROI)功能檢測圖像傳感器上多個移動中的條形碼

 

把ba這zhe一yi條tiao形xing碼ma偵zhen測ce功gong能neng嵌qian入ru傳chuan感gan器qi中zhong，能neng夠gou實shi現xian整zheng體ti成cheng本ben節jie省sheng
，這zhe不bu單dan是shi因yin為wei處chu理li方fang麵mian的de開kai銷xiao顯xian著zhu減jian小xiao

，還hai有you是shi由you於yu任ren務wu在zai傳chuan感gan器qi內nei完wan成cheng
，無wu需xu通tong過guo其qi它ta數shu字zi信xin號hao端duan加jia工gong處chu理li，實shi現xian係xi統tong性xing能neng和he穩wen定ding性xing優you勢shi。在zai有you效xiao幀zhen中zhong偵zhen測ce到dao的de一yi維wei碼ma或huo二er維wei碼ma在zai將jiang會hui以yi區qu塊kuai形xing式shi
，並bing加jia上shangX/Y坐標作為圖像注腳區域(不可見)的可讀信息的一部分。傳感器可同時偵測多個區域(或條形碼)，也可以偵測其它編碼
，例如是在光學文字辨識應用(OCR)中閱讀印刷字符。即便是在條形碼/對象/相機正在移動的應用中，這一功能仍然能夠有效工作。

 

顯著的成本節省和係統簡化是主要的優勢。5MP傳感器主要用於高端條形碼應用
，這是因為它需較大的鏡頭和更強的處理能力配合去進行5MP實時圖像處理/解碼工作
，抵銷了更大掃描範圍或麵積所提供的主要優勢。不過， Snappyxiliechuanganqidexiaoxiangsuyijiyoupianshangzhinengqujingchuangkoudailaidechulikaixiaojiesheng，nenggoushixiangengxiaoxitongjichengben。youyuqidigonghaohezaidanzhenfubianshiduogetiaoxingmafuhaodenengli，shidegaichanpinzhengchengweigaofenbianlvchuanganqideshichangdongli，zaidianshangwuliuxingyegengshimingxiandeyoushi。

 

快速自曝光和智能取景窗口功能可以同時在Snappy 5MP傳感器上工作
，以確保在環境光線不斷變化的環境下，仍然能夠提供快速強大的操作能力。

 

Snappychuanganqixiliejingguoshejiyouhua，manzudichengben，digonghaodexitongxuqiu。qianwenyezengtijidechuanganqipianshangchulishuju


，gongzuoxingnengkexianzhutigao。suiranbujinmanzutiaoxingmayueduyingyongheshichang
，tongshimanzuqitaleixingdejiqishijiao(MV)應用，包括查驗、測量、光學字符辨識等等，也可以通過Snappy 傳感器的性能和嵌入式功能獲益。其它適用範圍包括嵌入式視覺係統、物聯網邊緣設備、無人機、增強現實、生物特征係統等等。

 

圖9： Snappy傳感器係列適用於其它機器視覺
、智能物聯網和其它工業計算視覺應用

 

Snappy傳感器集成鏡頭和先進基於微電機的自動對焦提供附加價值

 

消費級相機光學模塊並不適用於B2B工(gong)業(ye)應(ying)用(yong)的(de)嚴(yan)苛(ke)長(chang)時(shi)間(jian)工(gong)作(zuo)環(huan)境(jing)。另(ling)外(wai)，舉(ju)個(ge)例(li)子(zi)，用(yong)於(yu)條(tiao)形(xing)碼(ma)閱(yue)讀(du)的(de)鏡(jing)頭(tou)一(yi)般(ban)有(you)專(zhuan)門(men)的(de)性(xing)能(neng)和(he)光(guang)學(xue)特(te)性(xing)，需(xu)要(yao)最(zui)大(da)的(de)工(gong)作(zuo)距(ju)離(li)
，而(er)諸(zhu)如(ru)光(guang)學(xue)調(tiao)製(zhi)轉(zhuan)換(huan)函(han)數(shu)(MTF)等光學像差需要最小化，以便於有效地對特征尺寸比奈奎斯特頻率還要小的條形碼進行解碼。集成了強大的Snappy圖像傳感器和高性能鏡頭的MIPI光學模塊(MOM) 能夠提高係統的價值並節省開發時間和成本。 

 

圖10：使用集成定焦鏡頭和Snappy 傳感器的MIPI光學模塊(MOM)

 

MIPI光學模塊 是嵌入式視覺應用的理想解決方案，它允許某程度上使用訂製鏡頭，為20mm x 20mm的小型模塊提供出色的性能和靈活性。Teledyne-e2v 現在向終端用戶提供首個2MP MIPI光學模塊樣品
，並且計劃推出5MP版本，以及強大而輕量、基於微電機技術的2MP zidongduijiaobanben。zidongduijiaodezuidayoushizaiyuxiangjiaodingjiaoguangxuexitong，tayunxushiyonggengdaguangxuekongjinglaishixiantongjihuogengjiadesaomiaofanweihuogongzuojuli，danxuyaoxianzhedixiaodezhaominggonghao。weilaide2MP MIPI光學模塊將為工業成像應用提供更多性能/或成本改進。新產品的詳細內容將於2020年中公布。不過現在已有一個使用嶄新開環‘多焦’功能的評估平台，能夠提供最大工作範圍和最大幀率，並具有可用於現存Snappy 2MP示範套件的MEMS自動對焦組件。

 

電商的爆發性成長帶來的新趨勢和變革

 

電子商務的爆發性成長帶來的巨大雙位數年複合增長率(CAGR)目標(每年大於25%)
，budanweiwuliuzhongxinyunyingdailaibiange，yeweichuantongdeshitilingshoudiantigongbaozhang。lingshoushichangzhengzaimianduijudazhuanbian
，xuyaotigonggenghaodekehutiyanbingtongguoshiyongwurenzidong‘自助掃描’係統來縮短結賬時間。這些係 統的成功關鍵不單在於可靠的條形碼辨識和解碼能力，還有是需要更多使用彩色成像器件的更精細的對象辨認任務。

 

圖11：電子商務的爆發性成長促成了對CMOS傳感器要求和功能的新趨勢和變革

 

如(ru)要(yao)全(quan)麵(mian)實(shi)現(xian)高(gao)成(cheng)長(chang)潛(qian)力(li)，首(shou)要(yao)條(tiao)件(jian)是(shi)要(yao)實(shi)現(xian)更(geng)高(gao)速(su)度(du)或(huo)更(geng)高(gao)產(chan)能(neng)的(de)掃(sao)描(miao)儀(yi)和(he)相(xiang)機(ji)。具(ju)有(you)寬(kuan)畫(hua)麵(mian)的(de)更(geng)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)傳(chuan)感(gan)器(qi)將(jiang)允(yun)許(xu)更(geng)快(kuai)的(de)閱(yue)讀(du)速(su)度(du)並(bing)實(shi)現(xian)更(geng)大(da)表(biao)麵(mian)積(ji)讀(du)碼(ma)(在同一圖像包含多個包裹和條形碼)
，以至在未來在單個傳感器覆蓋整個倉庫區域。 

 

guanyutuxiangchuanganqi
，womenkandaorouxingchuanganqijishuyingyongdeyoushi
，tanenggoujianxiaowaibuguangxuezujiandefuzaxingbingjianshengzhurujingpianraoshejixiandengxianyouguanyuxiaoxiangsudeyixiexianzhi。zheyifazhanketigong 兩個優勢，一是簡化並節省光學本，二是允許2.5µ以下的小像素無需減小MTF仍然達到鏡片光學繞射極限。 

 

 zaicangkuyingyongzhong，duiyuyigexiaobaodeyijisaomiaoxiaobaoshangdetiaoxingmadexuqiu，wangwangyuanyubuduanzengchangdedianshangfenfazhongxindexiaolvmubiao。meiyipingfanglimidecunchuheyunsongkongjiandouyaoshixianzuidahuayingyong。yaoduihuojianshixianzhenggeyunsonghegongyingliandesanweichicunjiankong，yizhiyutongguoerweimayueduxiangguanbianma/文字標簽，現需要使用兩個單獨的相機，一個用於三維(大部分使用結構光源或基於三維技術的立體化視覺)
，而另一個則使用非互聯的二維相 機。 

 

現在的研究重點在於研發一個二維和三維兼具的CMOS傳感器，可以同時提供傳統的二維影像和三維點雲(point cloud)。Teledyne-e2vzhiliweizhexiexinshichangfanweitigongjianduanlingdaojishu
，bingyizhidingnenggoupeihexiashidaixiangjihechengxiangxitongdeweilaichanpinluxiantuhezhishichanquan，shidexiangguanjishugoujujiaoyingyongzhuanyouxuqiu，xiangxinbuyonghenjiu，biankeyujiandaoxindechanpinwenshi。

 

 

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