【導讀】在高速視覺應用的競技場中，全局快門CMOS圖像傳感器扮演著關鍵角色。當設計需要捕捉高速動態場景的方案時，僅僅關注分辨率或幀率遠遠不夠。傳感器的核心特性——尤其是其快門機制——直接決定了能否無失真地“凍結”瞬間。深入理解全局快門在高速環境下的優勢，并權衡光學格式、動態范圍、噪聲表現（SNR）、像素架構，乃至功耗、接口、HDR處理能力等綜合特性，是選擇真正匹配高速需求的圖像傳感器的必經之路。
在高速視覺應用的競技場中，全局快門CMOS圖像傳感器扮演著關鍵角色。當設計需要捕捉高速動態場景的方案時，僅僅關注分辨率或幀率遠遠不夠。傳感器的核心特性——尤其是其快門機制——直接決定了能否無失真地“凍結”瞬間。深入理解全局快門在高速環境下的優勢，并權衡光學格式、動態范圍、噪聲表現（SNR）、像素架構，乃至功耗、接口、HDR處理能力等綜合特性，是選擇真正匹配高速需求的圖像傳感器的必經之路。
為了幫助篩選這些規格和功能，一個重要的考慮因素是傳感器的預期應用。某些應用需要非常高的分辨率來捕捉靜止物體，而另一些應用則需要檢測快速移動的物體，并能夠再現"定格"效果。另一個重要的應用考慮因素是功耗要求。對于固定安裝情況下，傳感器的功耗可能并不重要。但在便攜式應用中，傳感器必須使用電池工作，因此傳感器的能效變得至關重要。
在選擇傳感器時，最合適的出發點是應用的速度，即物體移動的速度。因為這將決定所需的快門類型。在數字圖像傳感器領域，主要只有兩種選擇：卷簾快門和全局快門。
圖像傳感器注意事項
卷簾快門
數字圖像傳感器是按行排列的像素陣列。使用卷簾快門圖像傳感器時，陣列中的每一行從陣列頂部到底部依次逐行曝光。換句話說，相鄰行的曝光時間略有不同（稱為行時間），相鄰行之間的時間差約為10 微秒。
與卷簾快門完全不同的是，全局快門同時曝光陣列中的每個像素。這些傳感器必須具備帶有"存儲節點"的像素，能夠在整個傳感器讀出過程中存儲電荷。卷簾快門和全局快門各有利弊。
與全局快門相比，卷簾快門更具成本效益且更易于實現。在全局快門傳感器中，存儲節點容易受到雜光的影響，因此噪聲往往會更高。此外，存儲節點位于像素旁邊，這給像素尺寸帶來了限制。與此相對應，卷簾快門的缺點是在捕捉快速移動物體時容易有運動偽影。
由于卷簾快門陣列采用按順序曝光的方式，因此在拍攝移動物體時會出現空間失真。同樣，由于陣列的不同區域是在不同時間（可能是在不同的光照條件下）拍攝的，它們還可能受到不相關光照的影響。
因此，卷簾快門陣列在捕捉移動物體方面表現不佳，但在靜態的高分辨率應用中卻是一個極佳的選擇。
全局快門
全局快門適用于卷簾快門表現不佳的場景，包括快速移動的物體，尤其是高角速度的物體。全局快門表現出色的應用包括增強視覺(AV)、虛擬現實(VR)、機器視覺(MV) 以及任何存在高振動的環境，如條形碼掃描儀和機器人應用。
全局快門還具有其他優點：由于整個陣列是同時曝光的，因此全局快門可以直接與其他全局快門或光源（如閃光燈）同步。由于全局快門無需處理不相關的光照，因此也更容易實現自動曝光控制。
全局快門性能考慮因素
評估全局快門性能的第一步是參考其已展示的指標。在評估全局快門傳感器時，需要考慮以應用為導向的指標和以性能為導向的指標。應用導向指標可幫助您選擇特定產品系列中適合特定應用的傳感器，而性能導向指標則可幫助您比較不同制造商的產品。
最簡單的方法是從應用導向指標入手。由最終用途決定的五個主要指標如下：
1. 分辨率
2. 光學格式
3. 全局快門效率（GSE）
4. 幀率
5. 功耗
這五項指標的優先級將根據最終用途的具體要求而有所不同。例如，一個高分辨率的應用可能需要200萬像素（MP）的分辨率和1/2.8英寸的光學格式，而一個低分辨率的應用可能只需要VGA分辨率和1/8英寸的光學格式。
幀率
幀率是以每秒幀數（frames per second, fps）來衡量的，它表示傳感器在一秒鐘內可以拍攝的圖像數量。拍攝移動較快的物體時需要較高的幀率，以避免模糊。
全局快門效率（GSE）
如上所述，GSE是一個比率，表示全局快門抑制雜光的能力。它通常是在特定波長和光圈（f/stop）設置下指定的。數值越大表示性能越好。
能效
消費類應用中的低功耗優化在開發中至關重要，尤其是增強現實（AR）、虛擬現實（VR）和混合現實（MR）頭戴設備等應用。此外，自主移動機器人（AMR）和手持式條碼掃描器也是工業領域用電池供電設備的幾個例子。通過提高這些設備的能效，可以顯著延長其工作壽命，從而減少充電頻率并改善整體用戶體驗。其余指標以性能為導向，可用于比較不同制造商的產品。
信噪比(SNR)
信噪比以分貝（dB）為單位，并規定為一個最大值。它是衡量傳感器在微小（即低光）信號情況下性能的一種方法。數值越大，性能越好。信噪比最大值SNRmax真實反映了線性滿阱（linear full well，LFW），或者說基本上是一個像素所能捕捉到的光子數量。
動態范圍
動態范圍也以dB 為單位，表示最大可測量輸入信號與最小可測量輸入信號（即噪聲水平）之比。 它表示傳感器在同一場景中處理不同強度輸入信號的能力。分貝值越高越好。隧道是需要高動態范圍場景的良好示例，因為隧道內部可能較暗，而外部光線明亮。傳感器需要能夠適應在同一場景中的這兩種情況。
除了性能指標外，某些應用可能要求傳感器具有某些特性，以便能夠執行特定功能或具有獨特的能力。 并非所有的全局快門傳感器都具備這些功能。應用的要求將決定需要哪些功能，以及可以考慮哪些傳感器。
同步傳感器
全局快門一次曝光整個傳感器陣列的優點之一是，陣列曝光的瞬間可與其他事件（如其他傳感器和閃光燈）精確同步。
通過同步傳感器的"觸發"模式，可以控制閃光燈進行精確的主動照明，或對多臺攝像頭進行同步，以實現立體或寬屏幕拍攝。
嵌入式自動曝光
自動曝光功能使得傳感器能夠根據給定的光照條件自動控制增益和曝光。自動曝光是傳感器適應動態光照條件的基本功能。
通過將這一功能直接嵌入到傳感器中，可以加快曝光控制，這樣就能實現實時響應，而依賴主機控制則響應速度較慢。對于大多數高速應用來說，嵌入式自動曝光是必不可少的。
場景切換
場景切換功能使傳感器能夠根據不同的分辨率、增益、曝光和幀率，快速切換設置，以適應不同的成像場景。 在許多傳感器中，這些 "場景"都已存儲，并可在單個寄存器設置中動態更改。
可編程和可切換的感興趣區（regions of interest，ROI）
圖像中的區域是相關的像素集合，主要用于物體解析。ROI使傳感器能夠通過過濾掉其他部分來聚焦于某個特定區域。這是一種優化數據傳輸和處理的方法。可編程的ROI 使實時計算機視覺應用成為可能。
總結來說，應用導向指標、性能導向指標和特定功能可以結合使用，以幫助從一系列傳感器中選擇特定的全局快門傳感器，并確定符合最終使用要求的傳感器制造商。
Hyperlux SG 系列全局快門傳感器
安森美（onsemi）開發了名為Hyperlux SG 的高性能小尺寸全局快門傳感器系列，產品包括ARX383、AR0145和AR0235。Hyperlux SG 系列傳感器將業界領先的全局快門效率（GSE）與低功耗操作相結合，是便攜式、高振動應用的理想之選。
圖 1 Hyperlux SG 圖像傳感器系列
Hyperlux SG系列采用了一種新穎且創新的全局快門像素設計，針對準確、快速地捕捉運動場景進行了優化。無論在弱光還是明亮的場景下，都能拍攝出清晰、低噪點的圖像。
Hyperlux SG 傳感器系列具有以下特性：
· 水平/垂直鏡像、窗口化和像素合并
· 可編程感興趣區域（ROI）
· 用于同步的片內觸發模式
· 片上自動曝光
· 內置閃光燈控制
· 場景切換
· 跳行和跳列模式的靈活控制
傳感器組合的分辨率從VGA（640 x 480）到 230萬像素（1920 x 1200）不等，光學格式從1/8 英寸到1/2.8 英寸不等，幀率高達每秒120 幀，適用于各種高速成像應用。每種規格與其他同類產品相比都具有優勢，正是由于它們結合了卓越的性能和功能，才使得Hyperlux 系列傳感器在市場上獨樹一幟。這些傳感器非常適合高速應用，包括條形碼掃描、機器視覺、AMR、AGV、AV/VR/MR、無人機和3D 掃描。
圖 2. Hyperlux SG 應用領域
為了促進產品教育和系統設計，還提供了一個全面的開發平臺，可實現快速系統開發。它包括完整的測試功能，可在設計前對產品進行評估，并提供在設計階段使用的參考設計。
全局快門傳感器是高速圖像應用的最佳選擇。一旦選擇了快門類型，仍有多種規格和功能可供選擇，以確保傳感器適合預期應用。
在評估全局快門傳感器時，必須始終牢記的一個重要考慮因素是全局快門效率（GSE）。 如果沒有足夠高的GSE，所有其他規格加在一起仍可能在圖像中產生不可接受的運動偽影。針對要求低功耗、高性能和高GSE 的應用，安森美開發了Hyperlux SG 系列全局快門傳感器。
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