【導讀】盡管基于CMOS技術的圖像傳感器在許多應用中已得到廣泛應用，但一些要求嚴苛的工業成像應用仍需要CCD圖像傳感器獨有的性能。
舉一個例子，關鍵的平板顯示器生產線終端檢測仍然主要由采用CCD的相機來執行，因為它們能提供高分辨率和出色的圖像均勻性，這是目前CMOS圖像傳感器技術無法提供的。
這一類的檢測通常由使用基于安森美半導體的2900萬像素(Mp)，35 mm光學格式的KAI-29050圖像傳感器等器件的相機來執行。然而，平板顯示器分辨率越來越高，用來檢測它們的相機分辨率也需要相應的提升。為滿足這一需求并保留標準的35 mm光學格式，需要既能減小像素尺寸，同時又能保留應用所需的關鍵性能和圖像均勻性規格的全新像素設計。
對高性能、高分辨率成像的需求
如今，成像推動了工業應用的生產力效益，從交通監控、車牌識別，到條形碼掃描、機器人引導、機器視覺等等。盡管每種應用都有其獨特的需求（一些需要高幀速率，另一些需要寬動態范圍、微光靈敏度或某個不同的關鍵參數），一些應用主要需要最高級別的圖像細節，要求開發具有非常高分辨率的圖像傳感器。
一個很好的例子是平板顯示器的生產線終端檢測，這個流程是要確認每個顯示像素中紅、綠和藍三個子元素都能正常工作。隨著顯示器的應用在移動設備、平板電腦、電視機、車輛、監控器等更多領域中不斷擴展，這些顯示器的分辨率也在不斷提高，從1080p到4k/超高清，甚至更高。這對在制造過程中用于監測這些顯示器的相機提出了獨特的要求，它需要提供能夠分解顯示器中存在的附加像素和子結構所需的細節，而無需犧牲該應用所需的圖像質量和均勻性。
圖1：用相機檢測平板顯示器
高分辨率成像的其它例子還包括高端監控（以足夠放大任何一個位置的分辨率采集寬闊視域圖像）和航拍（更高的分辨率可提供額外的成像細節，或讓飛機能夠飛得更高并減少飛行次數）。但是在所有這些例子中，應用不僅需要非常高的分辨率，而且還需要非常高的圖像質量，可通過圖像均勻性、噪聲、動態范圍等規格來衡量。
鑒于這種綜合需求，這套應用一直以來憑借基于Interline Transfer CCD（ITCCD）技術的圖像傳感器，即使擴展到大的光學格式，它也能保留關鍵的成像性能參數。這一技術能夠以非常高的圖像均勻度捕獲圖像，且真正的全局快門設計能夠捕獲運動場景，而不會引入成像偽影。此外，該技術可提供寬曝光范圍和低暗電流，能夠實現從幾微秒到一秒或更長時間范圍內的圖像曝光。
Interline Transfer CCD技術用于開發高分辨率、大格式圖像傳感器已超過15年，其分辨率隨市場需要逐漸提高。例如，2003年的KAI-11000圖像傳感器以35 mm光學格式提供1100萬像素的分辨率；但到2011年，這種相同的光學格式幾乎可支持三倍的分辨率。
圖2：35 mm光學格式下ITCCD分辨率的提升
在保留光學格式的同時提高分辨率的這種進步，對于實現這些應用中采用相機的簡化的現場升級非常重要，因為在部署更高分辨率的相機時，相機的放置位置和鏡頭都無需變動。
嚴苛要求帶來重大設計挑戰
為了在保留35 mm光學格式的同時，將器件（例如KAI-29050）的分辨率從現有的2900萬像素繼續提升，就需要更小的像素格式，以便將更多像素放置于給定區域中。但為同時保留這一較小像素中的關鍵成像參數，如圖像均勻性、動態范圍和底噪，除了簡單地縮小尺寸外，還需要提升像素設計。
圖3：設計挑戰
隨著器件中像素的增加，除非器件的輸出帶寬能夠增加，否則總體幀速率將會降低（這可能也是某些應用所需要的）。維持與當前傳感器和相機的向后兼容對于幫助相機制造商和終端客戶簡化所需的升級路徑以支持并采用新器件至關重要。
35 mm光學格式高性能ITCCD傳感器
安森美半導體的KAI-43140圖像傳感器提供了如何滿足這些設計挑戰，以35 mm格式為要求嚴苛的應用提供更高分辨率的范例。新器件采用全新的4.5 μm ITCCD像素，以35 mm光學格式提供4300萬像素，相較于廣泛應用的2900萬像素KAI-29050，分辨率增加了50％。然而，即使采用這種較小的像素尺寸，關鍵的成像性能水平任然得以保留（包括高拖尾抑制和超過60dB的線性動態范圍），并且通過采用先進工藝設計，消除整個類別下的均勻性偽影，圖像均勻性得到實際的提升。
更新了的輸出放大器可將4分接頭器件的帶寬增加50％，盡管分辨率提高，卻仍可提供與2900萬像素器件相同的最終幀速率。由于KAI-43140仍基于ITCCD技術，因此它保留了電子快門和廣泛曝光支持等特性，這些都是該技術的標志性特性。
重要的是，KAI-43140采用與KAI-29050相同的封裝，讓當前的相機設計僅需稍作電氣變更即可支持新器件。這大大降低了相機制造商的設計風險，并使他們能夠以更低的成本更快地將具有更高分辨率和性能的相機投入市場。
總結
開發滿足高級工業應用嚴苛要求的成像傳感器，需要的遠不止簡單地將更多像素“拽”到更小的封裝中。通過采用先進的像素設計，可以在給定光節點提供更高的分辨率而無需犧牲所需的性能。
圖4：安森美半導體的大格式ITCCD圖像傳感器
然而即使有了這些提升，重要的是要認識到“最新”的成像器件并不一定是適用于所有應用的“最佳”器件（即使是針對需要非常高分辨率的應用）。不僅針對分辨率擁有不同的選擇，而且針對光靈敏度、動態范圍、幀速率、甚至價格等參數擁有不同的選擇對于確定最合適某個給定應用的圖像傳感器（和成像技術）是至關重要的。這凸顯了擁有廣泛器件產品陣容的重要性（即使是專注于一組特定的應用，如需要非常高的分辨率），并強調了使用Interline Transfer CCD等技術持續開發全新產品的需求。
作者：安森美半導體圖像傳感器事業部工業解決方案部門產品營銷經理Michael DeLuca
