巧用图像传感器模块参考设计(PRISM) ，简化成像设备从设计到制造的全流程

本教程围绕安森美（onsemi） 图像传感器模块参考设计（PRISM）展开，聚焦成像设备从设计到制造的全流程优化需求，系统介绍 PRISM 方案的核心架构、功能模块、性能特性及生态接入方式，为成像设备从业者提供从设计到制造全流程的实操指导。本文为第一部分，将介绍PRISM 简介、实现全新器件开发流程、视觉系统五大核心器件等。

引言:从设计到制造

创新,尽管字面意为全新创造,却绝非凭空而来。创新者勇于另辟蹊径,也难免遭遇挫折,有时甚至是惨痛失败。过往经验会告诉产品创新者,曾经尝试的方案是否可行,也会沉淀下那些从一开始或经过一段时间后证明行不通的方法与路径。

电子成像技术领域的每一项伟大新创意,都建立在现有平台之上。无论是成像产品制造领域的新手,还是拥有丰富经验的行家,创新都需要一个切实可行的起点作为基础。有时,您恰恰需要这样一个基础,才能发现什么是行不通的。

George Eastman 在对其 1888 年推出的柯达便携式手持相机进行创新改进时,深思熟虑后得出结论:他拥有专利的镜间快门结构,难以在大批量生产的设备中持续生产与维护。这样的洞察,Eastman 或许曾希望自己能早三年拥有。

PRISM 简介

如今,成像平台厂商完全可以采用创新方案,无需从头开始、重复造轮子,不必重蹈 Eastman 当年重新研发快门结构的覆辙。安森美推出的 Premier 图像传感器模块参考设计(PRISM) 平台,是一套预先优化的子系统解决方案,旨在简化数字成像产品的开发流程。PRISM 为创新者提供低成本、预调校、已优化的模块化器件,这些器件经过精心设计、可无缝协同,专为产品原型构建量身打造。

PRISM 模块

PRISM 模块是一款经过严格测试、充分验证的高品质模块参考设计,旨在确保出众的成像性能。该模块通用性强,可适配各类工业及商用传感器,即便在客户早期样品验证阶段也能游刃有余。它通过采用标准化通用接口,确保传感器之间灵活适配、无缝切换。

安森美提供转接板,确保成像器件可与 SoC 平台无缝集成。对于批量生产,基于 PRISM 开发的器件可轻松适配安森美图像接入系统 (IAS)。如此一来,采用 PRISM 模块的器件可与 PRISM 生态合作伙伴的其他硬件转接板及开发套件集成。

PRISM 有助于简化成像产品原型构建流程,加快设计进度,缩短产品上市周期。对于成功攻坚克难、最终实现量产的典型图像传感器件应用而言,PRISM 最多可将产品上市时间缩短六个月。

安森美PRISM 模块，搭载AR0830图像传感器

实现全新器件开发流程

PRISM 能够缩短设计周期、降低开发成本,解决成像产品设计师在为全新设计或前沿的成像应用构建原型时所面临的难题。很多时候,基础技术与架构细节往往成为成像应用设计推进的阻碍,即便是仅仅找到可协同工作、能代表最终设计的合适器件,也困难重重。

在任何涉及光学元件的产品工程项目中,让所有部件适配有限空间并非最大障碍。对各类光学设备运行而言,光线、空间和气流与供电同样至关重要。在处理这些精密器件时,任何因镜头景深调节失准、传感器阵列白平衡失效或接口连接不可靠所造成的拖累都是不可接受的。

视觉系统五大核心器件

典型视觉系统由许多要素组成,包括光学元件(镜头)、图像传感器、传感器接口、图像信号处理器和应用软件或人工智能 (AI)。

1. 光学元件(镜头)

镜头的作用是将光线聚焦至传感器元件。而要实现高效成像,镜头必须与传感器的光学规格匹配。获取并按需调整所需的视场角 (FOV)、景深 (DOF) 及有效传感器分辨率,均取决于器件设计师对镜头的选型。

与所有光学相机原理一样,镜头光圈与景深呈反比关系,并会影响视场观感。镜头光圈越大,景深越浅,视场角看起来越窄;反之,光圈越小,景深越深,画面清晰区域更大,视场角也显得更宽。然而,增大光圈以获得更深的景深通常会导致分辨率降低。倘若图像传感器对低分辨率场景的处理效果不佳,即便目标是呈现更深的景深,最终画面仍可能模糊不清。

2. 图像传感器元件

图像传感器是一种半导体器件,其作用是对镜头投射到其上的光学图像进行光电转换,生成可被还原的数字信号。其内部集成了由相互关联的电容组成的阵列,每个电容都是一个感光单元,即像素。

CMOS 结构的基础是感光元件阵列。两个移位寄存器产生脉冲信号,分别控制水平与垂直扫描电路,按行、列依次对每个元件进行寻址。这些电路可对每一行元件先执行复位,然后重新扫描。在复位与扫描之间,每行像素会对入射光进行光电荷积分。系统会采用相应的快门机制:可以是卷帘快门这类机械快门,也可选用电子快门(逐行扫描相机通常采用电子快门,无需进行信号隔行扫描)。