高速只是第一步，工业视觉传感器精度亟待提升

电子发烧友网报道（文/周凯扬）在工业自动化进程的持续推动下，行业技术已经开始朝着智能化、高度集成化和数字化的方向发展了，尤其是工业视觉技术。为了满足这三大要求，工业视觉必须从图像获取、处理以及理解上都做到更高的精度，其中处理和理解通过如今的边缘处理器和机器视觉算法，已经满足了精度要求。至于图像获取的精度，则仍与视觉传感器息息相关。
 
所以在工业视觉传感器领域，无论是传统的CMOS图像传感器，还是开始被广泛应用的激光雷达，都开始朝着高精度、高速率的方向发展。而高速率这块的技术路线我们基本都已经知晓了，比如CMOS图像传感器追求全局快门，固态和机械激光雷达都开始追求更快的扫描速度。为了实现更高的精度，图像传感器和激光雷达也在不断推出芯片，从设计上寻求创新。
 
图像传感器－高灵敏度与高像素
 
与车规图像传感器不同，工业场景下的CMOS往往没有动辄120dB高动态范围，或LED频闪抑制这一类的需求，反倒是全局快门带来的高速特性常被视为首要要求。但为了进一步提升工业自动化的效率，同时也提高生产良率，工业图像传感器还是有着不少其他参数上的要求。
 
相对汽车的大光比户外环境，工业场景绝大多数位于室内，所以这才没有较高的动态范围要求。可室内环境通常没有实现理想的光源全覆盖，这就需要图像传感器的灵敏度越高越好。而相对于我们常见的彩色图像传感器来说，黑白与单色图像传感器在灵敏度的性能往往会更好，从而拥有更加优秀的弱光精度表现。
 
除了这一优势外，在分辨率相同的情况下，黑白版本的图像传感器在检测图像边缘这样的任务上效果更好，同时由于舍弃了颜色信息，读取速度可以进一步提高，对于工业线阵相机的检测效率来说有着明显的提高。

SC430LA / 思特威

 
思特威就在去年推出了他们的首款线阵CMOS图像传感器SC430LA，并采用了背照式和全局快门的设计方案，实现了4K的分辨率。思特威的SC430LA就分为黑白和彩色两个版本，其中黑白版本还有1线、2线和3线3种工作模式，1线模式下可以达到200kHz的行频。而如果是在全彩成像的工业视觉应用中，SC430LA的彩色版本也支持传统的Bilinear和先进的Trilinear模式，后者可以保留更多的色彩信息，提供更好的图像品质，满足高精度工业视觉传感器的需求。
 
我们在工业视觉场景中其实看到超高像素的图像传感器不多，这是因为在不少场景中，精度和速度并非可以兼得的两大参数。而过去的不少应用场景，由于图像处理和理解技术所限，高精度并非第一要义。
 
可为了追求更高的精度，尤其是在长距离识别和大规模物体识别的应用中，其实高分辨率还是一个绕不开的话题。至于如何在保证实现更高分辨率的基础上，维持一个较高的速率，才是解决问题的关键。
 
Teledyne给出了一个分辨率与速度兼并的答案，那就是具备6700万像素的Emerald 67M。如此高的像素量已经完整覆盖了8K的分辨率，可以随意通过ROI特性来在单张高分辨率图像中捕捉到更多的物体。可如此大的数据量通常意味着读出速度会面临着巨大的考验，但Teledyne的Emerald 67M依旧实现了超高的性能。

Emerald 67M / Teledyne

 
Emerald 67M分为高速版和超高速版，其中超高速版可以在10bit输出下实现65fps的超高帧率，读出噪声却只有2.5e-，500nm下的量子效率做到了66%。要知道超高像素的传感器往往在灵敏度上往往是处于劣势的，Emerald 67M在提供6700万像素的同时，依旧保留了供工业视觉应用的高灵敏度和高速特性。
 
激光雷达－新架构和高线数
 
一众固态雷达中，在提升激光雷达精度的方法上最为特殊的可能是Ouster的数字激光雷达。Ouster采用了半导体化设计的方式，将光电器件全部集成到了芯片之中，并通过芯片工艺和设计来提高激光雷达精度。例如他们基于40nm工艺打造的L2和L2X芯片，以及使用全新工艺打造的L3芯片。

Ouster数字激光雷达芯片路线图 / Ouster

 
从2017年的L1芯片到2019年的L2芯片，Ouster将其激光雷达芯片的工艺从130nm升级至40nm，把激光雷达的分辨率从64线提高至128线。如今REV7系列数字激光雷达所用的L3芯片，已经做到了单芯片1.25亿的晶体管数量和520万的点频速度。
 
如此高的集成度也让Ouster可以在可靠性上更进一步，比如做到IP68乃至IP69K的防护等级，也比其他机械激光雷达更容易解决冲击与振动带来的干扰，更适合复杂的工业场景，为AMR等工业机器提供更高的安全性，并减少停机时间。
 
从Ouster的例子来看，他们通过提高数字激光雷达芯片的集成度来实现更高的线数。在激光雷达领域，往往线数决定了角分辨率，也就决定了精度，所以128线数以上的激光雷达一般都被称为高清激光雷达。
 
 
光秒科技在去年推出了首款1024线的超高清混合固态激光雷达，GM1024。其中GM1024-A更是可以实现1024*1024线数和20Hz的频率，在120°的水平视场角上做到0.088°的角分辨率，在25°的垂直视场角上做到0.024°的角分辨率。再加上GM1024本身采用过的是1550nm的波长，如此高的分辨率可以在远距离探测对象上实现前所未有的精度。

GM1024激光雷达 / 光秒科技

虽然该激光雷达集成了100Base-T1车载以太网接口，但其IP67防水防尘的物理设计以及额外的TpyeC、HDMI与1/4螺纹接口，意味着其同样可以面向工业自动化目标识别与抓取。拥有如此高的精度，GM1024无疑可以灵活运用在不同的工业场景内。例如长距离的作业环境中，GM1024可以在远处就完成对象的识别，解决了因为工业场景中高速流水线带来的感知滞后问题。
 
写在最后
 
随着半导体产业朝着更先进的工艺发展，工业视觉传感器的高精度势必会成为与高速并列的重要需求，尤其是在芯片封装检测之类的高精密工作场景中。图像传感器也在缓慢地推进自身制造工艺，所以速度与精度两手抓也是一个良性循环，在保证高生产效率的同时，仍然能够提供让人眼前一亮的性能。
 
虽然如今不少激光雷达厂商都在追求车规级量产，但依赖单一市场对于产品而言存在不少的风险。Ouster等机械激光雷达厂商在这方面就做得要更好一些，从Ouster上季度的财报来看，其营收占比中38%来自工业领域，37%来自机器人领域。虽然机械激光雷达上车进度不佳，但对于工业视觉领域仍是一个吃香的选择，况且不少激光雷达厂商都开始多技术路线布局。相信如果更多的激光雷达厂商入局工业视觉的话，其成本和精度会再度迎来优化。