隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，產(chǎn)品的生命周期變得越來(lái)越短，因此制造商必須采取一些措施來(lái)加快產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。此外，視覺(jué)系統(tǒng)在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，需要同時(shí)考慮其性能和造價(jià)等多個(gè)方面的因素。
在這種情況下，制造商可以將資源集中在視覺(jué)系統(tǒng)的附加價(jià)值上，比如提升性能、增加功能、提高可靠性等等。通過(guò)這種方法，能夠提高視覺(jué)系統(tǒng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)而獲得更大的市場(chǎng)份額和利潤(rùn)。
2022年9月，Teledyne e2v發(fā)布了Optimom 2M，這是一系列MIPI CSI-2模組中的第一個(gè)產(chǎn)品，正是為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)而推出。該模組將成像和光學(xué)方面的最新創(chuàng)新結(jié)合到一個(gè)一站式成像解決方案中，通過(guò)將專(zhuān)有圖像傳感器安裝到帶有固定鏡頭或多焦點(diǎn)鏡頭技術(shù)的面板上。但這些創(chuàng)新具體有哪些，它們又是如何發(fā)揮作用的？它們給基于視覺(jué)的系統(tǒng)帶來(lái)了哪些好處？
圖像傳感器創(chuàng)新
Optimom 2M模組采用Topaz 2M，這是一款200萬(wàn)像素全局快門(mén)CMOS圖像傳感器，結(jié)合了多種創(chuàng)新，從像素結(jié)構(gòu)到封裝直到芯片設(shè)計(jì)本身。
在一個(gè)純粹的產(chǎn)品性能是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的唯一驅(qū)動(dòng)力的世界里，視覺(jué)系統(tǒng)制造商會(huì)選擇盡可能大的像素，以最大化設(shè)備的靈敏度和滿井容量。然而，在現(xiàn)實(shí)世界中，價(jià)格、外形尺寸和功耗都是重要的考慮因素，所以視覺(jué)系統(tǒng)制造商必須通過(guò)尋找具有最佳光電性能的圖像傳感器，來(lái)平衡他們?cè)诔叽绾统杀鞠拗苾?nèi)最大限度地提高系統(tǒng)光學(xué)性能的愿望，同時(shí)還能夠適應(yīng)某種光學(xué)格式。
根據(jù)目標(biāo)光學(xué)靶面的不同，可接受的最大像素尺寸可能成為一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。此外，從一種光學(xué)格式轉(zhuǎn)變到更小的光學(xué)格式（例如從1.1英寸到1英寸）往往意味著像素尺寸的大幅減少，如圖2中所強(qiáng)調(diào)的那樣。
圖1｜Topaz 2M傳感器與手指的尺寸對(duì)比圖
Topaz 2M具有極小的全局快門(mén)像素，這使得它能夠與緊湊且經(jīng)濟(jì)高效的1/3英寸鏡頭相匹配，同時(shí)仍然最大限度地提高靈敏度和信噪比。這種像素由TowerJazz利用其65nm技術(shù)開(kāi)發(fā)，通過(guò)利用共享像素結(jié)構(gòu)的概念，使其能夠在2.5μm的小尺寸中執(zhí)行全局快門(mén)操作。在Topaz 2M傳感器中，采用了8T共享像素結(jié)構(gòu)，對(duì)角線上的兩個(gè)像素共享8個(gè)晶體管，因此結(jié)合了6T像素結(jié)構(gòu)的先進(jìn)功能，如像素內(nèi)校正（又稱(chēng)CDS或相關(guān)雙采樣），和4T結(jié)構(gòu)的高靈敏度，因?yàn)槊總€(gè)像素的表面只占4個(gè)晶體管。
圖2｜最大像素尺寸，以適應(yīng)特定光學(xué)格式的特定分辨率
深思熟慮的光學(xué)堆棧
在這個(gè)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，憑借像素頂部的開(kāi)拓性光學(xué)堆棧結(jié)構(gòu)，Topaz 2M傳感器和Optimom 2M模組具有更高的靈敏度。像素通過(guò)無(wú)間隙頂部透鏡優(yōu)化像素間距，以避免光損失和不必要的反射，但真正的創(chuàng)新在于這種“雙光管”架構(gòu)，該架構(gòu)通過(guò)在傳感器的光學(xué)堆棧中創(chuàng)建的微光纖（不同反射率的材料）將光直接引導(dǎo)到光電二極管上。
圖3｜集成像素的光學(xué)結(jié)構(gòu)剖面圖。圖3所示的圖像顯示了嵌入產(chǎn)品中的光學(xué)堆棧的橫截面圖。
芯片封裝
除了優(yōu)化像素尺寸和光學(xué)結(jié)構(gòu)之外，圖像傳感器現(xiàn)在還受益于封裝技術(shù)的進(jìn)步，可降低傳感器成本、重量和外形尺寸。近幾年來(lái)，晶圓級(jí)封裝技術(shù)在市場(chǎng)上蓬勃發(fā)展，尤其是在移動(dòng)、汽車(chē)或可穿戴設(shè)備等消費(fèi)應(yīng)用領(lǐng)域。
雖然傳統(tǒng)陶瓷(CLGA)封裝已在業(yè)界使用多年，但最近在縮小像素尺寸方面的技術(shù)進(jìn)步為晶圓級(jí)封裝打開(kāi)了大門(mén)，它甚至用于工業(yè)檢測(cè)、物流或機(jī)器人的高端圖像傳感器。傳統(tǒng)陶瓷(CLGA)封裝需要將裸片單獨(dú)封裝到一個(gè)陶瓷結(jié)構(gòu)中，背面有間隔的焊盤(pán)，用于連接到傳感器板，而晶圓級(jí)封裝是成批生產(chǎn)的。
在扇出式晶圓級(jí)封裝的情況下，硅晶圓被切成獨(dú)立的傳感器裸片，這些裸片全部嵌入到重塑的玻璃基板晶圓中，然后被切割成獨(dú)立封裝的傳感器。對(duì)于另一類(lèi)晶圓級(jí)封裝，工藝和封裝尺寸的優(yōu)化更進(jìn)一步，它就是芯片級(jí)封裝，其中硅晶圓直接封裝到材料中，去除了在其周?chē)Ｖ撇ＡЩ宓闹虚g步驟。這些工藝技術(shù)使得圖像傳感器越來(lái)越小、越來(lái)越緊湊。對(duì)于這兩類(lèi)晶圓級(jí)封裝，圖像傳感器與電路板的背面連接由提供更高密度連接的球來(lái)確保，這是為嵌入式系統(tǒng)（如無(wú)人機(jī)或自動(dòng)制導(dǎo)車(chē)輛）生產(chǎn)微型和輕型成像解決方案的絕佳解決方案。
這些像素、傳感器結(jié)構(gòu)和封裝創(chuàng)新的最新組合使得新一代圖像傳感器的外形尺寸在短短五年內(nèi)減少了四倍，參見(jiàn)圖4所示的時(shí)間線和示例比對(duì)。
圖4｜自2016年以來(lái)，隨著封裝和像素技術(shù)改進(jìn)，圖像傳感器外形尺寸的演變
除了封裝技術(shù)之外，待封裝的傳感器裸片的設(shè)計(jì)也會(huì)對(duì)最終系統(tǒng)的尺寸產(chǎn)生影響。圖像傳感器制造商可用的關(guān)鍵技巧之一是將封裝中心與光學(xué)中心匹配到完全相同的位置，以此來(lái)盡量減少最終的系統(tǒng)外殼尺寸。圖5說(shuō)明了光學(xué)中心和封裝中心不匹配的影響，今天在一些圖像傳感器中仍然可以看到這種情況。
圖5｜裸片光學(xué)中心未在封裝中居中時(shí)的空間損失圖示
一項(xiàng)新技術(shù)
雖然像素的縮小對(duì)圖像傳感器的成本和尺寸有積極的影響，但它對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的多功能性，特別是景深的影響相當(dāng)不利。
景深可以定義為可以以足夠的清晰度水平捕獲物體的最近距離和最遠(yuǎn)距離之間的差異，隨著像素的縮小和對(duì)失焦圖像的容忍度變小，景深會(huì)減小。對(duì)于需要在不同工作距離上捕捉物體的應(yīng)用（如物流中心的包裹跟蹤），系統(tǒng)制造商通常會(huì)尋找較小的光圈光學(xué)器件（通常為F/7.0或F/8.0），以便在像素尺寸縮小的情況下保持足夠的景深。
可惜的是，縮小光圈是以犧牲感光度為代價(jià)的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)鏡頭被圖像傳感器捕獲的光線更少。因此，現(xiàn)在調(diào)焦技術(shù)的挑戰(zhàn)是在保持視覺(jué)系統(tǒng)的高靈敏度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更大的景深。這正是Optimom 2M光學(xué)模組中開(kāi)發(fā)的多焦鏡頭技術(shù)所解決的問(wèn)題，該技術(shù)結(jié)合了F/4.0大光圈，和從10cm到無(wú)限遠(yuǎn)的寬工作距離。
圖6｜左：Optimom 2M模組的背面圖，帶有FFC/FPC連接器，用于控制傳感器和鏡頭聚焦。右：嵌入多焦鏡頭的Optimom 2M模組的前視圖。
這種專(zhuān)有的鏡片堆疊技術(shù)通過(guò)調(diào)整鏡片的面型曲率來(lái)調(diào)聚焦點(diǎn)，從而達(dá)到這些性能。鏡片形狀的控制是通過(guò)I2C協(xié)議信號(hào)來(lái)確保的，這些信號(hào)通過(guò)模組板背面的標(biāo)準(zhǔn)FFC/ FPC連接器直接管理。該連接器通過(guò)I2C處理MIPI CSI-2數(shù)據(jù)輸出、時(shí)鐘管理以及圖像傳感器和多焦鏡頭控制。與其他焦點(diǎn)調(diào)整技術(shù)相比，這一概念使多焦點(diǎn)具有多種優(yōu)勢(shì)，例如小于1ms的快速響應(yīng)時(shí)間和抗電磁效應(yīng)。
總 結(jié)
Optimom 2M光學(xué)模組通過(guò)利用多種創(chuàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的光電性能和高通用性。嵌入式圖像傳感器結(jié)合了像素結(jié)構(gòu)、光學(xué)堆棧和裸片封裝方面的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了小巧輕便的設(shè)計(jì)，能夠與價(jià)格低廉的S型鏡頭相匹配，同時(shí)保持了高靈敏度水平?？蛇x的集成式多焦鏡頭依靠一種新的焦點(diǎn)調(diào)整技術(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了寬廣的工作距離、高靈敏度和快速響應(yīng)時(shí)間。
【本文由Teledyne e2v（法國(guó)格勒諾布爾）產(chǎn)品經(jīng)理Marie Charlotte Leclerc撰寫(xiě)。如需獲取更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)https://www.teledyne-e2v.com/。】
