行業(yè)對(duì)現(xiàn)有CMOS圖像傳感器提出更高要求

當(dāng)前，機(jī)器視覺技術(shù)正成為現(xiàn)代工業(yè)中的核心驅(qū)動(dòng)力。中國(guó)機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。中商產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2024-2029年中國(guó)機(jī)器視覺行業(yè)市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)及未來發(fā)展趨勢(shì)研究報(bào)告》顯示，2023年中國(guó)機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到185.12億元，同比增長(zhǎng)8.49%。預(yù)計(jì)2024年中國(guó)機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)至207.17億元。（數(shù)據(jù)來源：GGI、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理）

機(jī)器視覺檢測(cè)設(shè)備可以應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線上，對(duì)產(chǎn)品的外觀、尺寸、缺陷等進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)快速、高效的品質(zhì)控制。在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域，CMOS圖像傳感器的重要應(yīng)用之一是自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI），包括顯示面板檢測(cè)、PCB檢測(cè)、電子元器件檢測(cè)等。

據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，2022年工業(yè)領(lǐng)域CMOS圖像傳感器全球銷售額為8.65億美元，同比增長(zhǎng)24%。預(yù)計(jì)到2028年，工業(yè)領(lǐng)域CMOS圖像傳感器的銷售額達(dá)13.91億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率約為8%。

當(dāng)前，工業(yè)自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)的痛點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：

一是如何把產(chǎn)品細(xì)微缺陷通過圖像成像出來？這就要求圖像傳感器具備更高的分辨率；

二是如何把形態(tài)各異、復(fù)雜多變的產(chǎn)品缺陷高效準(zhǔn)確地檢測(cè)出來？為應(yīng)對(duì)高檢測(cè)通量和非標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)線，市場(chǎng)對(duì)于高分辨大靶面的相機(jī)需求越來越強(qiáng)烈。這也給相機(jī)的核心部件CMOS圖像傳感器的性能提出了更高的要求：高分辨率，大視場(chǎng)，小像素，高滿阱等。

隨著行業(yè)對(duì)于高像素的需求加速，各廠商相繼推出超億像素圖像傳感器。豪威現(xiàn)已發(fā)布2億像素圖像傳感器，佳能發(fā)布2.5億像素CMOS影像傳感器，威派視半導(dǎo)體發(fā)布超6億像素大面陣圖像傳感器……

要實(shí)現(xiàn)像素規(guī)模的提升，像素尺寸需進(jìn)一步縮小，信噪比將無法滿足成像需求，這使得CMOS傳感器遇到了顯著的技術(shù)瓶頸，各方開始尋求不斷提高分辨率等性能的技術(shù)突破路徑。威派視創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)于2009年在南京大學(xué)期間提出了全新的垂直電荷轉(zhuǎn)移成像器件（VPS）概念，用單一晶體管實(shí)現(xiàn)圖像傳感器像素的全部功能，將像素尺寸由“微米級(jí)”推進(jìn)至“納米級(jí)”，最小像素尺寸可達(dá)0.5微米，是現(xiàn)代半導(dǎo)體成像技術(shù)的新突破。

針對(duì)威派視近期發(fā)布的VPS800大面陣成像芯片，經(jīng)第三方評(píng)估，VPS圖像傳感器的高分辨、大視場(chǎng)等性能，相比于以往CMOS圖像傳感器有了較大提升。

分辨率測(cè)試

1. 檢測(cè)項(xiàng)目：

VPS800大面陣圖像傳感器的分辨率性能

2. 檢測(cè)方案：

1)搭建光路，調(diào)節(jié)鏡頭和VPS芯片的距離，使得通過透鏡成像的ISO 12233測(cè)試卡的邊緣黑白交界處位于VPS芯片的上下取景線中心；

2)使用光源照射ISO 12233分辨率測(cè)試卡，調(diào)節(jié)VPS芯片在鏡頭焦距處，使得ISO 12233測(cè)試卡可以在VPS芯片上成一個(gè)大致清晰的像；

3)前后細(xì)微調(diào)節(jié)VPS芯片的位置，拍攝多組圖片，選取最清晰的圖片，讀取VPS芯片的分辨率。

圖1 分辨率實(shí)驗(yàn)光路圖

3. 檢測(cè)結(jié)果：

通過圖片讀取VPS芯片的分辨率約為1910線每毫米，轉(zhuǎn)化為線對(duì)數(shù)也就是約為955lp/mm，基本符合理論計(jì)算得到的分辨率極限。

圖2 ISO 12233全幅（左） 中心（右）

大視場(chǎng)高分辨成像測(cè)試

1. 檢測(cè)項(xiàng)目：

VPS800大面陣圖像傳感器的戶外成像效果

2. 檢測(cè)方案：

1)在外景成像實(shí)驗(yàn)室搭建以VPS800大面陣成像芯片為核心的成像系統(tǒng)，對(duì)戶外場(chǎng)景和靶標(biāo)進(jìn)行成像能力驗(yàn)證。

2)超大面陣器件采用的光學(xué)系統(tǒng)具有高奈頻寬視場(chǎng)的特點(diǎn)，焦距為50mm，視場(chǎng)角2w=36°，后截距為7.8mm；由于光學(xué)系統(tǒng)具有大數(shù)值孔徑的特點(diǎn)，系統(tǒng)配備了高精度調(diào)焦系統(tǒng)，調(diào)焦精度為0.5μm。

3)VPS800使用視頻開窗模式配合高精度調(diào)焦，將焦面對(duì)準(zhǔn)至粘貼于400米外的建筑物靶標(biāo)（A4紙大小）處，驗(yàn)證VPS800的極限分辨能力。

3. 檢測(cè)結(jié)果：

VPS800雙采樣輸出圖像像素規(guī)模超過6億，距離400m處的視場(chǎng)范圍約300m×220m，如圖3（上）所示。選取原圖局部區(qū)域圖像，靶標(biāo)中“扎根江蘇 服務(wù)江蘇”字樣清晰可見，圖3（下）所示。

圖3 戶外全景圖（上） 原圖局部區(qū)域圖像（下）

威派視VPS800大面陣成像芯片以自主研發(fā)的垂直電荷轉(zhuǎn)移成像器件（VPS）為核心，擁有單芯片像素規(guī)模超6億，可解決現(xiàn)有大面陣相機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、功耗高的問題，在獲得長(zhǎng)焦距和大視場(chǎng)的同時(shí)減小體積、重量、功耗和成本，讓你在看清更大范圍的同時(shí)獲得更多微細(xì)節(jié)，目前主要在醫(yī)療、生物顯微、安防監(jiān)控、商業(yè)衛(wèi)星、機(jī)器視覺等場(chǎng)景展開驗(yàn)證和探索。

隨著成像技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用的傳感器和相機(jī)也在發(fā)展。從基因治療到天文學(xué)，各種應(yīng)用繼續(xù)推動(dòng)著圖像傳感器的性能提升和應(yīng)用范圍拓展，并將通過研究和開發(fā)帶來更大的技術(shù)進(jìn)步。