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新兴HMI与MEI应用需要低成本、具有大批量生产特性以及先进功能的新型成像器。本文结合Micron公司的CMOS图像传感器MT9V022对这种成像器的应用以及新特性进行了讨论。
在过去25年里，图像传感器主要用于机器视觉等机器－机器交互(MMI)应用，或者用于替代胶片的应用，如摄像机、数码相机或手机相机。高端图像传感器适用于MMI产品，而成本较低的消费级图像传感器则主要用于产生吸引人眼球的图像。随着高端MMI应用对产品性能、速度和价格要求的提高， DSP处理能力和图像传感器性能的巨大差异以及产品质量、价格上的两极分化，正继续加大这两个市场之间的距离。但是，新型人－机交互(HMI)与机器－环境交互(MEI)应用的出现，需要结合了低端产品的低成本、大批量生产特性与高端产品的众多先进功能的图像传感器。这为HMI及MEI应用的图像传感器创造出一个中间地带，并提供一个机遇以便能将这些成像器与正在推出的功能更强大、成本更低的新型DSP相结合。
图1：NIR条件下CCD与CMOS图像质量的对比，Micron开发出在85°C时的暗电流小于10(饱和信号的成像器。
高端传感器领域：大多数机器视觉应用利用摄像机控制MMI。在工厂，时间就是金钱，各种机器必须能尽可能快地协同工作。用于MMI的高速成像器一般以数百到数千帧/秒(fps)的速度工作，当以这种速度工作时，用于收集光的时间很短，为解决光通量减少的问题，通常需要高强度照明，而为获得精确的图像，传感器必须具有12μm至25μm的像素尺寸以及比消费类应用更宽的动态范围。
低端传感器领域：对适合大批量应用的消费级成像器而言，价格是一个关键的考虑因素，并因此推动消费级成像器在能产生可打印成清晰照片的图像的同时，其像素尺寸也持续减小。现在，用于胶片替代应用的消费类传感器具有2μm至6μm大小的像素，这么小的像素要求很低的噪声基底，以产生可接受的图像。图像质量以是否能吸引人的眼球来判断，在给定标准和显示限制的情况下，通常每个色彩通道有8位数据就足够。在速度方面，胶片替代应用通常不需要捕捉被人感觉为“实时”的图像(速度为24fps至30fps)。
HMI与MEI应用很少需要捕捉速度超过100fps的图像。一般来说，大多数应用的图像速度都等于或稍微超过被人感觉为“实时”的速度。
对图像传感器的新要求
目前人们正在围绕“人如何与自动化系统交互以及机器如何与环境交互”来开发新的产品与市场。这些市场需要普通替代胶片传感器的大批量生产、低成本特点以及MMI传感器的高性能。一些新型HMI与MEI应用包括车辆占位与位置探测、司机睡意探测、汽车对驾驶员物理尺寸的自适应、路线跟踪、防撞、道路标识阅读以及风档雨刮控制等。其它应用还包括自动门与电梯控制、生物测定门禁控制、条码读取以及消费类机器人技术等。
这些新型HMI与MEI应用都要求使用可在一定照明、温度及环境条件下工作的图像传感器。在装有由传感器控制的安全气囊的汽车中，安全系统必须能昼夜工作，在这种情况下使用近红外(NIR)传感器将非常理想。
自从固态存储器面世，温度飘移就带来了泄漏的问题。同样，泄漏电流也是图像传感器的一个关键问题，因为它是一个被称为“暗电流”的参数的重要组成部分。暗电流是像素在整合期间所获能量的主要部分(并非来自光子)，温度每上升5°C至8°C，通常这个噪声参数便会增加一倍。在温室拥有较低的暗电流对于传感器是否能在更高温度上工作非常关键。
所需的新特性
目前的图像传感器已不能满足新应用的要求，因此业界正在生产新的中档图像传感器来满足HMI与MEI市场(尤其是新兴的汽车市场)的更高要求。这些新型图像传感器具有很高的分辨率和速度，可在极端条件下工作并可使用NIR照明。此外，在传统的替代胶片图像传感器当中，这些新型传感器的成本也比较低。
增强的NIR照明使传感器不仅能在非受控环境下工作，而且还能捕捉同一场景中很暗与很亮区域的图像。像素可以选择以获得对光的单斜率线性响应或者分段线性响应，与光呈分段线性响应关系的像素可提供多达4种线移(linear-shifted)斜率。实际上，光能量被压缩以适合同一像素装载容量，其结果是处理器可同时看到隧道的“内外情景”。
中档成像器还具有双缓冲全局快门(global shutter)功能。在每一个像素中，光敏缓冲器与光屏蔽缓冲器互相配合，工作的时候，每一个光敏缓冲器都将其数据转储到光屏蔽缓冲器并复位，当光屏蔽缓冲器将数据传输给一个像素时，光敏缓冲器记录下一帧图像。这样可像快照一样捕捉图像，省去了旋转快门等图像捕捉部件。此外，因为两个缓冲器可同步工作，所以传感器无需等待图像读出即可开始捕捉下一帧图像。
新型成像器解决方案
Micron的MT9V022型CMOS图像传感器是一种专门针对汽车市场设计的产品，它不仅拥有目前高速产品线的固有特性，而且还具有消费级成像器的大批量、低噪声以及价格优势。
MT9V022的分辨率能提供750列的宽水平视角和480行的标准行缓冲器尺寸。全分辨率时，传感器可以60fps的速率工作；而当分辨率较低时，工作速率将超过200fps，这使它能很好地与ADI Blackfin等低成本、高性能DSP进行接口。MT9V022还具有增强的NIR响应，一般的消费级传感器在850nm时的NIR灵敏度为10( QE，而MT9V022接近40( QE，这使其能工作在非受控环境中。由于许多带有很小摄像头的HMI与MEI应用都工作在非受控环境下，所以成像器必须能在高温环境下工作。Micron公司具有低泄漏存储器方面的专长，这使他们能够开发出在85°C时的暗电流小于10(饱和信号的成像器(见图1)。
Micron新型图像传感器将所有必需特性集成在一个基于6μm像素的阵列中，具有自动曝光、立体同步、区域增益及区域曝光加权等特性，可做成一个很容易实现的1/3英寸标准镜头。
通过将Micron MT9V022这样的产品与目前使用的处理器及鲁棒的场景理解算法相结合，明智的开发商有望在数十亿美元的HMI与MEI应用新市场中占有关键份额。