隨著現(xiàn)代科技的不斷進步和市場競爭的日益激烈，產品的生命周期變得越來越短，因此制造商必須采取一些措施來加快產品的開發(fā)周期。此外，視覺系統(tǒng)在各行各業(yè)中的應用越來越廣泛，需要同時考慮其性能和造價等多個方面的因素。
在這種情況下，制造商可以將資源集中在視覺系統(tǒng)的附加價值上，比如提升性能、增加功能、提高可靠性等等。通過這種方法，能夠提高視覺系統(tǒng)的市場競爭力，進而獲得更大的市場份額和利潤。
2022年9月，Teledyne e2v發(fā)布了Optimom 2M，這是一系列MIPI CSI-2模組中的第一個產品，正是為了應對這一挑戰(zhàn)而推出。該模組將成像和光學方面的最新創(chuàng)新結合到一個一站式成像解決方案中，通過將專有圖像傳感器安裝到帶有固定鏡頭或多焦點鏡頭技術的面板上。但這些創(chuàng)新具體有哪些，它們又是如何發(fā)揮作用的？它們給基于視覺的系統(tǒng)帶來了哪些好處？
圖像傳感器創(chuàng)新
Optimom 2M模組采用Topaz 2M，這是一款200萬像素全局快門CMOS圖像傳感器，結合了多種創(chuàng)新，從像素結構到封裝直到芯片設計本身。
在一個純粹的產品性能是產品開發(fā)的唯一驅動力的世界里，視覺系統(tǒng)制造商會選擇盡可能大的像素，以最大化設備的靈敏度和滿井容量。然而，在現(xiàn)實世界中，價格、外形尺寸和功耗都是重要的考慮因素，所以視覺系統(tǒng)制造商必須通過尋找具有最佳光電性能的圖像傳感器，來平衡他們在尺寸和成本限制內最大限度地提高系統(tǒng)光學性能的愿望，同時還能夠適應某種光學格式。
根據(jù)目標光學靶面的不同，可接受的最大像素尺寸可能成為一個技術挑戰(zhàn)。此外，從一種光學格式轉變到更小的光學格式（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中所強調的那樣。
圖1｜Topaz 2M傳感器與手指的尺寸對比圖
Topaz 2M具有極小的全局快門像素，這使得它能夠與緊湊且經(jīng)濟高效的1/3英寸鏡頭相匹配，同時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技術開發(fā)，通過利用共享像素結構的概念，使其能夠在2.5μm的小尺寸中執(zhí)行全局快門操作。在Topaz 2M傳感器中，采用了8T共享像素結構，對角線上的兩個像素共享8個晶體管，因此結合了6T像素結構的先進功能，如像素內校正（又稱CDS或相關雙采樣），和4T結構的高靈敏度，因為每個像素的表面只占4個晶體管。
圖2｜最大像素尺寸，以適應特定光學格式的特定分辨率
深思熟慮的光學堆棧
在這個結構的基礎上，憑借像素頂部的開拓性光學堆棧結構，Topaz 2M傳感器和Optimom 2M模組具有更高的靈敏度。像素通過無間隙頂部透鏡優(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，該架構通過在傳感器的光學堆棧中創(chuàng)建的微光纖（不同反射率的材料）將光直接引導到光電二極管上。
圖3｜集成像素的光學結構剖面圖。圖3所示的圖像顯示了嵌入產品中的光學堆棧的橫截面圖。
芯片封裝
除了優(yōu)化像素尺寸和光學結構之外，圖像傳感器現(xiàn)在還受益于封裝技術的進步，可降低傳感器成本、重量和外形尺寸。近幾年來，晶圓級封裝技術在市場上蓬勃發(fā)展，尤其是在移動、汽車或可穿戴設備等消費應用領域。
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進步為晶圓級封裝打開了大門，它甚至用于工業(yè)檢測、物流或機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封裝到一個陶瓷結構中，背面有間隔的焊盤，用于連接到傳感器板，而晶圓級封裝是成批生產的。
在扇出式晶圓級封裝的情況下，硅晶圓被切成獨立的傳感器裸片，這些裸片全部嵌入到重塑的玻璃基板晶圓中，然后被切割成獨立封裝的傳感器。對于另一類晶圓級封裝，工藝和封裝尺寸的優(yōu)化更進一步，它就是芯片級封裝，其中硅晶圓直接封裝到材料中，去除了在其周圍模制玻璃基板的中間步驟。這些工藝技術使得圖像傳感器越來越小、越來越緊湊。對于這兩類晶圓級封裝，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確保，這是為嵌入式系統(tǒng)（如無人機或自動制導車輛）生產微型和輕型成像解決方案的絕佳解決方案。
這些像素、傳感器結構和封裝創(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減少了四倍，參見圖4所示的時間線和示例比對。
圖4｜自2016年以來，隨著封裝和像素技術改進，圖像傳感器外形尺寸的演變
除了封裝技術之外，待封裝的傳感器裸片的設計也會對最終系統(tǒng)的尺寸產生影響。圖像傳感器制造商可用的關鍵技巧之一是將封裝中心與光學中心匹配到完全相同的位置，以此來盡量減少最終的系統(tǒng)外殼尺寸。圖5說明了光學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｜裸片光學中心未在封裝中居中時的空間損失圖示
一項新技術
雖然像素的縮小對圖像傳感器的成本和尺寸有積極的影響，但它對光學系統(tǒng)的多功能性，特別是景深的影響相當不利。
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距離之間的差異，隨著像素的縮小和對失焦圖像的容忍度變小，景深會減小。對于需要在不同工作距離上捕捉物體的應用（如物流中心的包裹跟蹤），系統(tǒng)制造商通常會尋找較小的光圈光學器件（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的，因為通過鏡頭被圖像傳感器捕獲的光線更少。因此，現(xiàn)在調焦技術的挑戰(zhàn)是在保持視覺系統(tǒng)的高靈敏度的同時實現(xiàn)更大的景深。這正是Optimom 2M光學模組中開發(fā)的多焦鏡頭技術所解決的問題，該技術結合了F/4.0大光圈，和從10cm到無限遠的寬工作距離。
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。
這種專有的鏡片堆疊技術通過調整鏡片的面型曲率來調聚焦點，從而達到這些性能。鏡片形狀的控制是通過I2C協(xié)議信號來確保的，這些信號通過模組板背面的標準FFC/ FPC連接器直接管理。該連接器通過I2C處理MIPI CSI-2數(shù)據(jù)輸出、時鐘管理以及圖像傳感器和多焦鏡頭控制。與其他焦點調整技術相比，這一概念使多焦點具有多種優(yōu)勢，例如小于1ms的快速響應時間和抗電磁效應。
總 結
Optimom 2M光學模組通過利用多種創(chuàng)新技術實現(xiàn)了先進的光電性能和高通用性。嵌入式圖像傳感器結合了像素結構、光學堆棧和裸片封裝方面的創(chuàng)新，實現(xiàn)了小巧輕便的設計，能夠與價格低廉的S型鏡頭相匹配，同時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調整技術，同時實現(xiàn)了寬廣的工作距離、高靈敏度和快速響應時間。
【本文由Teledyne e2v（法國格勒諾布爾）產品經(jīng)理Marie Charlotte Leclerc撰寫。如需獲取更多信息，請訪問https://www.teledyne-e2v.com/。】
