本教程圍繞安森美（onsemi）圖像傳感器模塊參考設(shè)計(jì)（PRISM）展開，聚焦成像設(shè)備從設(shè)計(jì)到制造的全流程優(yōu)化需求，系統(tǒng)介紹 PRISM 方案的核心架構(gòu)、功能模塊、性能特性及生態(tài)接入方式，為成像設(shè)備從業(yè)者提供從設(shè)計(jì)到制造全流程的實(shí)操指導(dǎo)。本文為第一部分，將介紹PRISM 簡(jiǎn)介、實(shí)現(xiàn)全新器件開發(fā)流程、視覺系統(tǒng)五大核心器件等。

引言:從設(shè)計(jì)到制造

創(chuàng)新,盡管字面意為全新創(chuàng)造,卻絕非憑空而來(lái)。創(chuàng)新者勇于另辟蹊徑,也難免遭遇挫折,有時(shí)甚至是慘痛失敗。過(guò)往經(jīng)驗(yàn)會(huì)告訴產(chǎn)品創(chuàng)新者,曾經(jīng)嘗試的方案是否可行,也會(huì)沉淀下那些從一開始或經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后證明行不通的方法與路徑。

電子成像技術(shù)領(lǐng)域的每一項(xiàng)偉大新創(chuàng)意,都建立在現(xiàn)有平臺(tái)之上。無(wú)論是成像產(chǎn)品制造領(lǐng)域的新手,還是擁有豐富經(jīng)驗(yàn)的行家,創(chuàng)新都需要一個(gè)切實(shí)可行的起點(diǎn)作為基礎(chǔ)。有時(shí),您恰恰需要這樣一個(gè)基礎(chǔ),才能發(fā)現(xiàn)什么是行不通的。

George Eastman 在對(duì)其 1888 年推出的柯達(dá)便攜式手持相機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)時(shí),深思熟慮后得出結(jié)論:他擁有專利的鏡間快門結(jié)構(gòu),難以在大批量生產(chǎn)的設(shè)備中持續(xù)生產(chǎn)與維護(hù)。這樣的洞察,Eastman 或許曾希望自己能早三年擁有。

資料來(lái)源：美國(guó)國(guó)家檔案館

PRISM 簡(jiǎn)介

如今,成像平臺(tái)廠商完全可以采用創(chuàng)新方案,無(wú)需從頭開始、重復(fù)造輪子,不必重蹈 Eastman 當(dāng)年重新研發(fā)快門結(jié)構(gòu)的覆轍。安森美推出的 Premier 圖像傳感器模塊參考設(shè)計(jì)(PRISM) 平臺(tái),是一套預(yù)先優(yōu)化的子系統(tǒng)解決方案,旨在簡(jiǎn)化數(shù)字成像產(chǎn)品的開發(fā)流程。PRISM 為創(chuàng)新者提供低成本、預(yù)調(diào)校、已優(yōu)化的模塊化器件,這些器件經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)、可無(wú)縫協(xié)同,專為產(chǎn)品原型構(gòu)建量身打造。

PRISM 模塊

PRISM 模塊是一款經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試、充分驗(yàn)證的高品質(zhì)模塊參考設(shè)計(jì),旨在確保出眾的成像性能。該模塊通用性強(qiáng),可適配各類工業(yè)及商用傳感器,即便在客戶早期樣品驗(yàn)證階段也能游刃有余。它通過(guò)采用標(biāo)準(zhǔn)化通用接口,確保傳感器之間靈活適配、無(wú)縫切換。

安森美提供轉(zhuǎn)接板,確保成像器件可與 SoC 平臺(tái)無(wú)縫集成。對(duì)于批量生產(chǎn),基于 PRISM 開發(fā)的器件可輕松適配安森美圖像接入系統(tǒng) (IAS)。如此一來(lái),采用 PRISM 模塊的器件可與 PRISM 生態(tài)合作伙伴的其他硬件轉(zhuǎn)接板及開發(fā)套件集成。

PRISM 有助于簡(jiǎn)化成像產(chǎn)品原型構(gòu)建流程,加快設(shè)計(jì)進(jìn)度,縮短產(chǎn)品上市周期。對(duì)于成功攻堅(jiān)克難、最終實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的典型圖像傳感器件應(yīng)用而言,PRISM 最多可將產(chǎn)品上市時(shí)間縮短六個(gè)月。

安森美PRISM 模塊， 搭載AR0830圖像傳感器

實(shí)現(xiàn)全新器件開發(fā)流程

PRISM 能夠縮短設(shè)計(jì)周期、降低開發(fā)成本,解決成像產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在為全新設(shè)計(jì)或前沿的成像應(yīng)用構(gòu)建原型時(shí)所面臨的難題。很多時(shí)候,基礎(chǔ)技術(shù)與架構(gòu)細(xì)節(jié)往往成為成像應(yīng)用設(shè)計(jì)推進(jìn)的阻礙,即便是僅僅找到可協(xié)同工作、能代表最終設(shè)計(jì)的合適器件,也困難重重。

在任何涉及光學(xué)元件的產(chǎn)品工程項(xiàng)目中,讓所有部件適配有限空間并非最大障礙。對(duì)各類光學(xué)設(shè)備運(yùn)行而言,光線、空間和氣流與供電同樣至關(guān)重要。在處理這些精密器件時(shí),任何因鏡頭景深調(diào)節(jié)失準(zhǔn)、傳感器陣列白平衡失效或接口連接不可靠所造成的拖累都是不可接受的。

視覺系統(tǒng)五大核心器件

典型視覺系統(tǒng)由許多要素組成,包括光學(xué)元件(鏡頭)、圖像傳感器、傳感器接口、圖像信號(hào)處理器和應(yīng)用軟件或人工智能 (AI)。

1. 光學(xué)元件(鏡頭)

鏡頭的作用是將光線聚焦至傳感器元件。而要實(shí)現(xiàn)高效成像,鏡頭必須與傳感器的光學(xué)規(guī)格匹配。獲取并按需調(diào)整所需的視場(chǎng)角 (FOV)、景深 (DOF) 及有效傳感器分辨率,均取決于器件設(shè)計(jì)師對(duì)鏡頭的選型。

與所有光學(xué)相機(jī)原理一樣,鏡頭光圈與景深呈反比關(guān)系,并會(huì)影響視場(chǎng)觀感。鏡頭光圈越大,景深越淺,視場(chǎng)角看起來(lái)越窄;反之,光圈越小,景深越深,畫面清晰區(qū)域更大,視場(chǎng)角也顯得更寬。然而,增大光圈以獲得更深的景深通常會(huì)導(dǎo)致分辨率降低。倘若圖像傳感器對(duì)低分辨率場(chǎng)景的處理效果不佳,即便目標(biāo)是呈現(xiàn)更深的景深,最終畫面仍可能模糊不清。

2. 圖像傳感器元件

圖像傳感器是一種半導(dǎo)體器件,其作用是對(duì)鏡頭投射到其上的光學(xué)圖像進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,生成可被還原的數(shù)字信號(hào)。其內(nèi)部集成了由相互關(guān)聯(lián)的電容組成的陣列,每個(gè)電容都是一個(gè)感光單元,即像素。

CMOS 結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是感光元件陣列。兩個(gè)移位寄存器產(chǎn)生脈沖信號(hào),分別控制水平與垂直掃描電路,按行、列依次對(duì)每個(gè)元件進(jìn)行尋址。這些電路可對(duì)每一行元件先執(zhí)行復(fù)位,然后重新掃描。在復(fù)位與掃描之間,每行像素會(huì)對(duì)入射光進(jìn)行光電荷積分。系統(tǒng)會(huì)采用相應(yīng)的快門機(jī)制:可以是卷簾快門這類機(jī)械快門,也可選用電子快門(逐行掃描相機(jī)通常采用電子快門,無(wú)需進(jìn)行信號(hào)隔行掃描)。

3. 圖像信號(hào)處理器 (ISP)

圖像信號(hào)處理器 (ISP) 對(duì)圖像傳感器采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理,并將其重新解釋為實(shí)用可靠、誤差極低的數(shù)據(jù)格式。ISP 通常承擔(dān)的處理任務(wù)包括:去馬賽克、降噪、色彩校正、伽馬校正等。

4. 傳感器/處理器接口

物理接口負(fù)責(zé)確保圖像傳感器與圖像信號(hào)處理器所在的片上系統(tǒng) (SoC) 之間實(shí)現(xiàn)完整、暢通的通信。由于這兩類器件在設(shè)計(jì)與制造中采用不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),通常會(huì)衍生出多套獨(dú)立接口規(guī)范,業(yè)界常用標(biāo)準(zhǔn)多達(dá)五種以上。

5. 應(yīng)用處理器 (AP)

應(yīng)用處理器 (AP) 是成像系統(tǒng)的核心數(shù)字處理單元。該器件也可集成圖形處理器,用于在顯示器或屏幕上渲染畫面;同時(shí)集成數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) ,以實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)、圖像處理等專門的處理功能。設(shè)備所采用的、供用戶操作的軟件或固件,均由 AP 統(tǒng)一調(diào)度。

安森美 AP1302

安森美 PRISM 轉(zhuǎn)接板

安森美 Demo3板

未完待續(xù)，后續(xù)推文將陸續(xù)介紹評(píng)估套件、AP1302協(xié)處理器、多種圖像傳感器等。