第4世代のグローバルシャッターについて説明し、埋め込みイメージセンサーがより優れたパフォーマンスメトリックを必要とする理由

イメージセンサーは、3つの主要な方法で進化しています。モノのインターネット（IoT）の台頭に伴うシステム機能のエッジの強化。オンチップ偏光センサーやハイパースペクトルセンサーなど、肉眼以上のものを見ることができる新機能の実装。そして、おそらくマシンビジョンアプリケーションの大部分の進歩の最も基本的なものは、これまで以上に高い解像度でキャプチャする必要があることです。そして、それをより速く実行します。

この記事では、GS-CMOSイメージセンサーの進化について説明します。これには、間もなく出荷される第4世代のグローバルシャッターテクノロジーに期待されることや、イメージングパフォーマンスの向上におけるそれらの役割が含まれます。

グローバルシャッターCMOSイメージセンサーは、約10年前に最初に発売され、それ以来、高速製造プロセスのスループットを加速する上で重要な役割を果たしてきました。このテクノロジーは、デジタル出力を提供するだけでなく、ローリングシャッター効果によって引き起こされる空間的な歪みも回避しました。

このテクノロジーは急速に進化し、より優れた画質を実現しました。第1世代のセンサーは、1 / 1.2インチフォーマット（5.86 µmピクセルサイズ）でわずか2.4メガピクセルを提供します。解像度に対する要求は、エンジニアが3.45 µmの第2世代センサーピクセルサイズを作成し、ソニーが0.4〜31メガピクセルの解像度をカバーできるようにすることを意味しました。

ただし、ピクセルサイズが小さくなると、センサーの各ピクセルに到達する光の量も小さくなり、飽和容量が減少します。

第3世代では、これらの競合する要素の間で最適なバランスが求められました。ピクセルサイズをわずかに（4.5 µmに）増やし、それによって第1世代のデバイスに近い飽和容量を増やし、ダイナミックレンジと速度も改善しました。

ソニーは、第1世代から第3世代のピクセルが完成したことで、廃止されていた従来のCCDラインナップをカバーする解像度と光学サイズのポートフォリオを作成しました。

画像キャプチャへの全体的なアプローチ

マシンビジョンシステムは、分析のために詳細な画像をキャプチャするだけでなく、適切な情報をキャプチャし、この情報をコンピュータに転送して、これを非常に高速で実行する必要があります。

したがって、センサーの読み出しフレームレート（使用される伝送標準と同じ）は、このプロセスの重要な要素です。しかし、新世代のGS-CMOSイメージセンサーに組み込まれている機能も同様です。ジェネレーション1には、モーションアーティファクトを排除するためのグローバルシャッターが含まれていました。また、マルチフレーム関心領域（ROI）機能により、データのサブセットを分析のためにコンピューターに渡すことができます。

第2世代では、多重露光トリガーが追加され、1つの画像フレーム内で複数の露光をキャプチャできるため、画像がより詳細な情報をキャプチャできるようになり、最小露光時間がわずか2 µsに短縮されました。

第3世代には、デュアルADCとデュアルトリガーが含まれていました。これにより、同じフレームで低ゲインと高ゲインの画像を撮影し、それぞれを個別にトリガーすることができました。さらに、センサー上の変換ゲインが組み込まれ、感度、飽和容量、ダイナミックレンジのバランスが改善され、低照度と高照度の両方の条件に対応できるようになりました。最後に、セルフトリガーが追加され、1つのROIが別のROIのトリガーとして機能します。

センサーの反転

イメージセンサーのサイズを大きくすることで全体のピクセル数を増やすことは可能ですが、ほとんどのマシンビジョンアプリケーションでは、1インチタイプのセンサー（対角16 mm）を使用するCマウントカメラを使用します。

最初の3世代のGS-CMOSイメージセンサーは、前面から照らされたピクセル構造（図1を参照）を使用し、光がレンズに入り、金属配線層を通過して感光性フォトダイオードに到達しました。

これにより、フォトダイオード層に到達する光が減少し、レンズに入る光の一部が金属配線層に向けられます。

第4世代のGS-CMOSに採用されている代替アプローチは、金属配線層と感光性フォトダイオード層を反転させて、裏面照射型ピクセル構造を作成し、光子の検出を容易にすることです（図2を参照）。 。

この反転構造により、飽和特性を低下させることなく、従来の前面照明センサー（2.74µm）と比較してピクセルサイズを約63％に縮小できます。

さらに、この反転により、周辺機器であった回路をセンサーの背面に配置できます。これにより、解像度を12MPから20MPに上げることができ、パッケージサイズは約91％に縮小されます。以前のモデルと同じ光学システムを使用している場合でも（図3を参照）。

第4世代の機能と読み出しフレームレート

裏面照射型ピクセル構造は、柔軟性の高い配線レイアウトを実装する機能も備えており、これを組み込みクロック（SLVS-EC）高速インターフェイスを備えたスケーラブルな低電圧信号と組み合わせることで、読み出しフレームレートを大幅に向上させることができます。 。送信される高解像度の画像を考慮すると、読み出しフレームレートは従来のセンサーよりも約2.4倍速くなります。

第4世代センサーに実装された追加機能には、デュアルADCデータのセンサー上の組み合わせが含まれ、低ゲインおよび高ゲインのキャプチャからHDR（ハイダイナミックレンジ）イメージを作成できます。シャッタースピードが加速され、シャッター間の時間がわずか2 µsに短縮されました。

結論

工場や倉庫での目視検査の置き換えや、工場の自動化と流通の他のアプリケーションでの高度な自動化を可能にする高度な自動化を実装するには、検査と認識をより正確かつ迅速にし、効率を高める必要があります。

第4世代のセンサーは、業界および一般的な産業自動化にとって大きな飛躍であり、より優れた画像と、産業製造プロセスの品質管理と速度を向上させるオンチップ機能のより多くのセットの両方を可能にします。

ただし、これまで以上に製造速度と精度を高める必要性は継続しており、問題になる前に対処する必要のある問題が間近に迫っています。

これまで見てきたように、センサーメーカーはピクセルサイズをその最適点を超えて縮小することができます。確かに、そうすることには商業的利益があると主張することができます。専門家以外の人がそれをプロキシメトリック（多くの場合、唯一のメトリック）として使用して、システムの画質を定量化することを利用します。

私たちは業界として、より優れた代替指標を提供するために協力する必要があります。産業用イメージングの複雑な性質を考慮に入れたもの。品質と数をより総合的に見るもの。そして最終的には、単純なピクセル数と同じくらい理解しやすいものです。