Basler немедленно прекращает все поставки своим российским и белорусским клиентам.

Закрыть

Ваш браузер устарел. Он имеет уязвимости в безопасности и может не показывать все возможности на этом и других сайтах. Узнайте, как обновить Ваш браузер .

OK
Начните настройку системы машинного зрения Webshop

Какой КМОП-сенсор подойдет для моей системы машинного зрения?

КМОП-сенсоры практически полностью заменили ПЗС-сенсоры в сфере обработки изображений. В последние годы стремительно развиваются новые, более современные технологии, и корпорация Sony, являясь одним из крупнейших производителей КМОП-сенсоров, играет в этом прогрессе значимую роль. Светочувствительные сенсоры серии IMX являются одними из наиболее часто используемых в промышленных камерах. В этом документе поясняются основные различия между различными линейками сенсоров серии IMX от Sony: Pregius, STARVIS и Pregius S.

Всего несколько лет назад светочувствительные сенсоры (матрицы) с технологией ПЗC занимали львиную долю рынка в сфере промышленной обработки изображений. На тот момент КМОП считалась многообещающей, но еще не вполне развитой технологией, в которой даже отраслевые эксперты не видели серьезной конкуренции для ПЗC.

Ситуация на рынке резко изменилась, когда в 2015 году корпорация Sony, которая является одним из ведущих международных производителей светочувствительных матриц, объявила о прекращении производства всех ПЗC-сенсоров, что ознаменовало конец эпохи технологии ПЗС в сфере промышленной обработки изображений и множестве других областей. Двумя годами ранее Sony представила первое поколение своих КМОП-сенсоров серии IMX (на данный момент вышло уже четвертое поколение), что вызвало небывалый резонанс, особенно в связи с их значительно более широким динамическим диапазоном. Эти сенсоры, которые до сих пор находятся в продаже, позволяют выбирать минимальную длительность экспозиции, предлагают различные возможности триггера и считывания кадра, необходимые в компьютерном зрении, а также гарантируют безупречное качество изображения, которое превосходит качество изображения у аналогичных сенсоров в том же ценовом сегменте.

Одной из причин высокого качества изображения у сенсоров IMX является особая технология Sony, которая называется Exmor. Она предусматривает преобразование аналогового сигнала, регистрируемого светочувствительным сенсором, в цифровой сигнал с шумоподавлением непосредственно при считывании данных с пикселей. Этот метод отличает сенсоры IMX от сенсоров других производителей и не только способствует улучшению шумовых характеристик, но также позволяет добиться более высокой частоты кадров.

Еще одной важной особенностью сенсора является затвор, который по функционалу соответствует диафрагме традиционной камеры и реализован на электронной схеме сенсора. В сфере промышленной обработки изображений применяются затворы двух типов.
В сенсорах с технологией скользящего затвора экспозиция и считывание отдельных строк пикселей производится пиксель за пикселем, построчно. Это означает запаздывание в экспозиции отдельных строк, что, в зависимости от поставленной перед системой задачи, может привести к нежелательным искажениям на полученных изображениях при съемке движущихся объектов.

Сенсоры с технологией глобального затвора работают иначе: считывание всех экспонированных пикселей производится одновременно, что исключает искажение изображения при съемке движущихся объектов в системах контроля качества или транспортных средств в интеллектуальных транспортных системах.

В дополнение к этому, уже первое поколение сенсоров Sony IMX было наделено рядом несомненных преимуществ для промышленной обработки изображений. К ним относится возможность определения активных зон (АЗ). Выбор активной зоны означает ограничение области считывания пикселей на сенсоре, что позволяет увеличить скорость получения изображений и сократить объем передаваемых данных. Эта функция особенно полезна, когда для решения задачи контроля качества необходим анализ только определенных участков изображения.

К сенсорам IMX первого поколения, которое также известно как Pregius, относятся модели IMX174 и IMX249. Это сенсоры с технологией глобального затвора, квадратными пикселями 5,68 x 5,68 мкм и разрешением 1920 x 1200 пикселей. Их основное различие заключается в скорости съемки: IMX249 поддерживает скорость съемки 41 кадр в секунду, а его высокоскоростной собрат IMX174 достигает впечатляющих 166 кадров в секунду.

В системах, где для решения поставленной задачи достаточно разрешения 2,3 Мп, камеры с сенсорами IMX174 и IMX249 и сегодня будут прекрасным выбором ввиду их высокой емкости насыщения, отличного соотношения «сигнал — шум» и серьезного динамического диапазона.

Возможное разрешение у сенсоров IMX второго поколения значительно выше.
Возможное разрешение у сенсоров IMX второго поколения значительно выше.

Второе поколение IMX с более миниатюрными пикселями

В сенсорах IMX второго поколения Sony уменьшила размер пикселя до 3,45 x 3,45 мкм и представила модели разрешением 3 Мп (IMX252 и IMX265), 5 Мп (IMX250 и IMX264), 9 Мп (IMX255 и IMX267) и 12 Мп (IMX253 и IMX304) во второй половине 2016 года. Эти сенсоры также предлагают все преимущества глобального затвора и технологии Exmor, которые гарантируют безупречное качество изображения. Что касается скорости съемки, стандартные модели второго поколения (IMX265, IMX264, IMX267 и IMX304) обеспечивают от 23 до 56 кадров в секунду, тогда как высокоскоростные модели — от 68 до 216 кадров в секунду.

Сенсоры IMX второго поколения значительно отличаются от первого поколения по емкости насыщения, которая явно ниже, чем у предшественников, но все еще в пределах значений, демонстрируемых КМОП-сенсорами других производителей. Тем не менее этот недостаток перевешивает тот факт, что Sony удалось почти в три раза превысить возможное разрешение по сравнению с другими сенсорами такого формата.

Сенсоры STARVIS с технологией обратной засветки

Семейство STARVIS — это высокопроизводительные сенсоры, разработанные Sony уже некоторое время назад, которые изначально предлагались только для цветной съемки и использовались преимущественно в видеонаблюдении. После того как были представлены монохромные модели STARVIS, эти сенсоры стали все больше представлять интерес для автоматизации производства. Это семейство сенсоров от Sony разрабатывалось параллельно с линейкой Pregius, и сначала в нем были представлены только модели со скользящим затвором, однако позднее появились и варианты с глобальным затвором. Сенсоры STARVIS также маркированы аббревиатурой IMX и оснащены квадратными пикселями с длиной стороны от 1,85 до 3,76 мкм.

Наиболее важной отличительными особенностями сенсоров STARVIS по сравнению с сенсорами Pregius первого и второго поколений являются скользящий затвор и архитектура обратной засветки. Такая архитектура, также известная как BSI (Back-Side Illumination), — это новая разработка Sony, которая элегантно решает проблему высокого разрешения. В семействе STARVIS представлены сенсоры с пикселями буквально микроскопического размера (до 1,85 мкм), но когда используются такие миниатюрные пиксели, не удается выдерживать приемлемое соотношение между площадью сенсора для размещения светочувствительных пикселей и необходимых электронных компонентов, таких как усилители сигнала или аналогово-цифровые преобразователи. При увеличении площади, занимаемой несветочувствительными компонентами, снижается квантовая эффективность сенсора.

Чтобы выйти из этой ситуации, Sony разместила электронные компоненты для усиления и анализа сигнала на обратной стороне сенсора, тогда как в традиционных сенсорах c так называемой архитектурой фронтальной засветки FSI (Front-Side Illumination) эти компоненты находятся на фронтальной стороне. В новой архитектуре только светочувствительные элементы сенсора размещаются на его фронтальной стороне. В результате практически вся площадь сенсора освобождается под пиксели для формирования фотосигнала и уменьшается количество отражаемого от электронных компонентов света. Кроме того, светочувствительная поверхность сенсора с архитектурой BSI находится выше, чем в сенсорах с традиционной архитектурой FSI, что также способствует улучшению его характеристик.

Сравнение сенсоров с архитектурой FSI (фронтальной засветки) и с архитектурой BSI (обратной засветки)

В сенсорах с архитектурой FSI (слева) медная подложка расположена над слоем светочувствительных пикселей. Прежде чем свет достигнет фотодиода, он сначала проходит через своеобразный «туннель» и частично отражается электронными компонентами. В сенсорах с архитектурой BSI (справа) медная подложка размещена под фотодиодами.

Результаты можно увидеть при сравнении абсолютного порога чувствительности, который определяется в стандарте EMVA1288 как количество света, т. е. количество фотонов, необходимое сенсору в среднем для генерирования сигнала, достаточно отличимого от шума. Это пороговое значение составляет 10 для сенсоров Pregius первого поколения, тогда как в сенсорах Pregius второго поколения это значение достигает 3, а в сенсорах STARVIS — 4.

Pregius S — современное четвертое поколение

В 2020 году Sony представила свое самое передовое на данный момент поколение сенсоров — Pregius S, с размерами пикселя 2,74 x 2,74 мкм и разрешением от 5,1 до 24,5 мегапикселей. Стандартные модели IMX540, IMX541, IMX542, IMX545, IMX546 и IMX547 предлагают скорость съемки от 35 до 122 кадров в секунду или до 870 мегапикселей в секунду, тогда как с высокоскоростными моделями IMX530, IMX531, IMX532, IMX535, IMX536 и IMX537 можно добиться скорости съемки от 106 до 259 кадров в секунду или до 2600 мегапикселей в секунду, что позволяет проводить контроль качества объектов, перемещающихся на очень большой скорости.

Сенсоры Pregius S объединяют в себе преимущества архитектуры BSI, разработанной для семейства STARVIS, с глобальным затвором, представленным в первых двух линейках Pregius, и все также основаны на технологии шумоподавления Exmor.

Смотреть видео

Все зависит от поставленной задачи

То, какой из КМОП-сенсоров лучше всего подойдет для конкретной системы, зависит от поставленной задачи. Одним из решающих критериев является скорость срабатывания камеры и установленного в нее сенсора: если планируется съемка быстродвижущихся объектов, необходимы высокая скорость и точность срабатывания. В этом случае сенсоры Pregius демонстрируют более высокие характеристики по сравнению с сенсорами STARVIS: промежуток времени между срабатыванием сенсора и считыванием изображения в сенсорах Pregius составляет всего 20 мкс, тогда как в линейке STARVIS это значение может достигать 450 мкс и выше. Следовательно, камеры с сенсорами Pregius лучше подойдут для систем, где точность срабатывания является критичной для качества изображения. В качестве примеров можно привести контроль качества быстродвижущихся объектов, например бутылок или печатных плат на производстве, а также анализ движений в спортивной сфере. В 3D-системах или системах с несколькими камерами высокая скорость и точность срабатывания камер с сенсорами Pregius также будет преимуществом.

Нередко возникает потребность найти для существующей системы подходящую замену среди КМОП-камер, которые имеют характеристики, приближенные к технологии ПЗC. В целях экономии имеет смысл выбрать камеру с таким КМОП-сенсором, для которого потребуются минимальные изменения в существующей осветительных и оптических компонентах системы. Оптический формат сенсоров Pregius больше соответствует ранним камерам на базе технологии ПЗС по сравнению с линейкой STARVIS, а значит, эти сенсоры лучше подойдут для систем, где этот критерий является особенно важным. Так, сенсоры Pregius IMX264 и IMX250 разрешением 5 Мп станут отличной заменой широко используемому ПЗC-сенсору ICX625. Камеры, оснащенные ПЗC-сенсором ICX824, можно с небольшими затратами заменить на камеры с сенсорами Pregius IMX267 и IMX255 разрешением 8,9 мегапикселей, без необходимости вносить существенные изменения в оптические компоненты системы.

Сенсоры STARVIS, с другой стороны, предлагают очевидное ценовое преимущество по сравнению с сенсорами Pregius. Если не требуется съемка непрерывно движущихся объектов, скользящего затвора в камерах с сенсорами STARVIS будет достаточно. Ввиду того, что эти сенсоры содержат пиксели миниатюрного размера, можно добиться высокого разрешения при использовании сенсоров меньшего оптического формата, однако этот фактор необходимо учитывать при выборе оптики.

Последние тенденции

В последние годы в технологиях светочувствительных сенсоров наблюдается тенденция к разработке и добавлению разнообразных функций. Во втором поколении сенсоров Pregius, например, Sony представила функцию триггера экспозиции разной длительности, которая обеспечивает съемку серии кадров с разной экспозицией по одному сигналу триггера, что позволяет получить несколько изображений объекта с разной освещенностью. Из этих изображений затем можно выбрать наиболее оптимальное для дальнейшего анализа. Эта функция также доступна в сенсорах третьего и четвертого поколения.

Кроме того, в качестве примера можно привести инновации в третьем поколении, где в высокоскоростных моделях сенсоров были представлены так называемые функции самостоятельного и двойного триггера. В случае самостоятельного триггера определяются два отдельных участка на изображении (активных зоны — АЗ), и делается кадр одной из двух зон, если в другой зоне обнаружено изменение. Функция двойного триггера, с другой стороны, предлагает возможность определить два различных значения длительности экспозиции и цифрового усиления, которые можно изменять независимо друг от друга. Функции самостоятельного и двойного триггера предусмотрены с сенсорах четвертого поколения.

Эти примеры демонстрируют, что функции, представленные в предыдущих поколениях сенсоров, обычно переносятся в следующее поколение, что является несомненным преимуществом.

Еще одной важной тенденцией в разработке сенсоров является уменьшение оптического формата при одновременном увеличении разрешения. Это достигается за счет уменьшения размеров пикселя, что стало возможным благодаря новейшим достижениям в производственных процессах. Такая миниатюризация сенсоров означает возможность дальнейшего уменьшения размеров камер. Кроме того, увеличение разрешения в ряде случаев позволяет сократить необходимое количество камер. В результате также становится возможным сократить общую стоимость системы. Для сенсоров Pregius обычно необходимы дорогие объективы формата 1", которые можно заменить менее дорогими, но такими же высокопроизводительными объективами в случае выбора сенсоров из линейки Pregius S меньшего оптического формата. Именно поэтому камеры с сенсорами Pregius S так популярны.

Заключение

Sony как наиболее крупный производитель сенсоров, переориентировалась на технологию КМОП, что ознаменовало конец эпохи ПЗС-сенсоров и ПЗC-камер. Технические характеристики первых четырех поколений сенсоров IMX Pregius, STARVIS и Pregius S предлагают разработчикам и пользователям в самых разных сферах, в том числе в промышленной обработке изображений, широкие возможности с точки зрения разрешения, скорости съемки и дополнительных функций. Ввиду непрерывно продолжающихся разработок можно предположить, что следующее поколение сенсоров будет наделено еще более широкими техническими возможностями.

Узнайте больше о камерах Basler с сенсорами Sony IMX.