เมื่อจำเป็นต้องใช้เซนเซอร์ภาพดิจิทัล CMOS แบบพิกเซลแอคทีฟอาร์เรย์เพื่อออกแบบโซลูชัน ต้องพิจารณาข้อกำหนดของเซนเซอร์จำนวนมาก ตัวอย่างเช่น ความละเอียดของเซนเซอร์ รูปแบบออปติคอล ประเภทชัตเตอร์ อัตราเฟรมสูงสุด ช่วงไดนามิก อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) และโครงสร้างพิกเซล เป็นต้น ที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นคือ ยังต้องพิจารณาคุณสมบัติ/ฟังก์ชันของเซนเซอร์ เช่น การใช้พลังงาน อินเทอร์เฟซ ประเภทแพ็คเกจ การประมวลผล HDR บนบอร์ด และบริเวณที่สนใจ ตัวเลือกที่ดีที่สุดนั้นไม่ชัดเจนเสมอไป

เพื่อช่วยคัดกรองข้อกำหนดและฟังก์ชันเหล่านี้ ปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณาคือการประยุกต์ใช้งานที่คาดหวังของเซนเซอร์ แอปพลิเคชันบางประเภทต้องการความละเอียดสูงมากในการจับภาพวัตถุที่อยู่นิ่ง ในขณะที่บางประเภทต้องการตรวจจับวัตถุที่เคลื่อนที่เร็ว และสามารถสร้างเอฟเฟกต์ "หยุดนิ่ง" ได้ ปัจจัยสำคัญอีกประการในการพิจารณาแอปพลิเคชันคือความต้องการด้านการใช้พลังงาน สำหรับการติดตั้งแบบอยู่กับที่ การใช้พลังงานของเซนเซอร์อาจไม่สำคัญ แต่ในแอปพลิเคชันแบบพกพา เซนเซอร์ต้องทำงานโดยใช้แบตเตอรี่ ดังนั้นประสิทธิภาพการใช้พลังงานของเซนเซอร์จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

ในการเลือกเซนเซอร์ จุดเริ่มต้นที่เหมาะสมที่สุดคือความเร็วของแอปพลิเคชัน นั่นคือความเร็วที่วัตถุเคลื่อนที่ เพราะสิ่งนี้จะเป็นตัวกำหนดประเภทชัตเตอร์ที่ต้องการ ในด้านเซนเซอร์ภาพดิจิทัล มีตัวเลือกหลักเพียงสองแบบเท่านั้น: ชัตเตอร์แบบโรลลิ่งและชัตเตอร์แบบโกลบอล

ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับเซนเซอร์ภาพ

ชัตเตอร์แบบโรลลิ่ง

เซนเซอร์ภาพดิจิทัลเป็นพิกเซลอาร์เรย์ที่เรียงเป็นแถว เมื่อใช้เซนเซอร์ภาพแบบโรลลิ่งชัตเตอร์ แต่ละแถวในอาร์เรย์จะถูกเปิดรับแสงทีละแถวตามลำดับจากด้านบนลงล่างของอาร์เรย์ กล่าวอีกนัยหนึ่ง เวลาเปิดรับแสงของแถวที่อยู่ติดกันจะแตกต่างกันเล็กน้อย (เรียกว่าเวลาแถว) และความแตกต่างของเวลาระหว่างแถวที่อยู่ติดกันคือประมาณ 10 ไมโครวินาที

แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากชัตเตอร์แบบโรลลิ่ง ชัตเตอร์แบบโกลบอลจะเปิดรับแสงทุกพิกเซลในอาร์เรย์พร้อมกัน เซนเซอร์เหล่านี้ต้องมีพิกเซลที่มี "โหนดจัดเก็บ" ซึ่งสามารถเก็บประจุไว้ได้ในระหว่างการอ่านค่าทั้งหมดของเซนเซอร์ ชัตเตอร์แบบโรลลิ่งและโกลบอลต่างก็มีข้อดีและข้อเสีย

เมื่อเทียบกับชัตเตอร์แบบโกลบอล ชัตเตอร์แบบโรลลิ่งมีต้นทุนที่มีประสิทธิภาพมากกว่าและใช้งานได้ง่ายกว่า ในเซนเซอร์แบบโกลบอลชัตเตอร์ โหนดจัดเก็บมีแนวโน้มที่จะได้รับผลกระทบจากแสงรบกวน ดังนั้นสัญญาณรบกวนจึงมักจะสูงกว่า นอกจากนี้ โหนดจัดเก็บอยู่ถัดจากพิกเซล ซึ่งทำให้เกิดข้อจำกัดด้านขนาดพิกเซล ในทางกลับกัน ข้อเสียของชัตเตอร์แบบโรลลิ่งคือมีแนวโน้มที่จะเกิดความผิดเพี้ยนของการเคลื่อนไหวเมื่อจับภาพวัตถุที่เคลื่อนที่เร็ว

เนื่องจากอาร์เรย์แบบโรลลิ่งชัตเตอร์ใช้วิธีการเปิดรับแสงตามลำดับ จึงเกิดการบิดเบือนเชิงพื้นที่เมื่อถ่ายภาพวัตถุที่เคลื่อนที่ ในทำนองเดียวกัน เนื่องจากพื้นที่ต่างๆ ของอาร์เรย์ถูกถ่ายภาพในเวลาที่ต่างกัน (อาจอยู่ภายใต้สภาพแสงที่ต่างกัน) พวกมันจึงอาจได้รับผลกระทบจากแสงที่ไม่สัมพันธ์กัน

ดังนั้น อาร์เรย์แบบโรลลิ่งชัตเตอร์จึงมีประสิทธิภาพไม่ดีในการจับภาพวัตถุที่เคลื่อนที่ แต่เป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับแอปพลิเคชันความละเอียดสูงแบบคงที่

ชัตเตอร์แบบโกลบอล

ชัตเตอร์แบบโกลบอลเหมาะสำหรับสถานการณ์ที่ชัตเตอร์แบบโรลลิ่งมีประสิทธิภาพไม่ดี รวมถึงวัตถุที่เคลื่อนที่เร็ว โดยเฉพาะวัตถุที่มีความเร็วเชิงมุมสูง แอปพลิเคชันที่ชัตเตอร์แบบโกลบอลทำงานได้ดีเยี่ยม ได้แก่ Augmented Vision (AV), Virtual Reality (VR), Machine Vision (MV) และสภาพแวดล้อมที่มีการสั่นสะเทือนสูง เช่น เครื่องสแกนบาร์โค้ดและแอปพลิเคชันหุ่นยนต์

ชัตเตอร์แบบโกลบอลยังมีข้อดีอื่นๆ: เนื่องจากอาร์เรย์ทั้งหมดถูกเปิดรับแสงพร้อมกัน ชัตเตอร์แบบโกลบอลจึงสามารถซิงโครไนซ์โดยตรงกับชัตเตอร์แบบโกลบอลอื่นๆ หรือแหล่งกำเนิดแสง (เช่น แฟลช) ได้ เนื่องจากชัตเตอร์แบบโกลบอลไม่จำเป็นต้องจัดการกับแสงที่ไม่สัมพันธ์กัน จึงทำให้การควบคุมค่าแสงอัตโนมัติทำได้ง่ายขึ้น

ข้อควรพิจารณาด้านประสิทธิภาพของชัตเตอร์แบบโกลบอล

ขั้นตอนแรกในการประเมินประสิทธิภาพของชัตเตอร์แบบโกลบอลคือการอ้างอิงถึงค่าที่แสดงให้เห็นแล้ว ในการประเมินเซนเซอร์แบบโกลบอลชัตเตอร์ จำเป็นต้องพิจารณาตัวชี้วัดที่เน้นแอปพลิเคชันและตัวชี้วัดที่เน้นประสิทธิภาพ ตัวชี้วัดที่เน้นแอปพลิเคชันช่วยให้คุณเลือกเซนเซอร์ที่เหมาะสมสำหรับแอปพลิเคชันเฉพาะภายในตระกูลผลิตภัณฑ์เฉพาะ ในขณะที่ตัวชี้วัดที่เน้นประสิทธิภาพช่วยให้คุณเปรียบเทียบผลิตภัณฑ์จากผู้ผลิตต่างๆ ได้

วิธีที่ง่ายที่สุดคือเริ่มต้นด้วยตัวชี้วัดที่เน้นแอปพลิเคชัน ตัวชี้วัดหลัก 5 ประการที่กำหนดโดยการใช้งานปลายทางมีดังนี้:

1. ความละเอียด
2. รูปแบบออปติคอล
3. ประสิทธิภาพชัตเตอร์แบบโกลบอล (GSE)
4. อัตราเฟรม
5. การใช้พลังงาน

ลำดับความสำคัญของตัวชี้วัดทั้งห้านี้จะแตกต่างกันไปตามข้อกำหนดเฉพาะของการใช้งานปลายทาง ตัวอย่างเช่น แอปพลิเคชันความละเอียดสูงอาจต้องการความละเอียด 2 ล้านพิกเซล (MP) และรูปแบบออปติคอล 1/2.8 นิ้ว ในขณะที่แอปพลิเคชันความละเอียดต่ำอาจต้องการเพียงความละเอียด VGA และรูปแบบออปติคอล 1/8 นิ้ว

อัตราเฟรม

อัตราเฟรมวัดเป็นเฟรมต่อวินาที (fps) ซึ่งบ่งชี้จำนวนภาพที่เซนเซอร์สามารถถ่ายได้ภายในหนึ่งวินาที การถ่ายภาพวัตถุที่เคลื่อนที่เร็วต้องใช้อัตราเฟรมที่สูงเพื่อหลีกเลี่ยงความเบลอ

ประสิทธิภาพชัตเตอร์แบบโกลบอล (GSE)

ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น GSE คืออัตราส่วนที่บ่งชี้ความสามารถของชัตเตอร์แบบโกลบอลในการระงับแสงรบกวน โดยทั่วไปจะระบุที่ความยาวคลื่นและการตั้งค่ารูรับแสง (f/stop) ที่เฉพาะเจาะจง ค่าที่สูงขึ้นบ่งบอกถึงประสิทธิภาพที่ดีขึ้น

ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

การปรับปรุงการใช้พลังงานต่ำในแอปพลิเคชันสำหรับผู้บริโภคมีความสำคัญอย่างยิ่งในการพัฒนา โดยเฉพาะอย่างยิ่งแอปพลิเคชันเช่นแว่นตา Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR) และ Mixed Reality (MR) นอกจากนี้ หุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติ (AMR) และเครื่องสแกนบาร์โค้ดแบบมือถือเป็นตัวอย่างบางส่วนของอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่ในภาคอุตสาหกรรม การเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานของอุปกรณ์เหล่านี้สามารถยืดอายุการทำงานได้อย่างมาก ลดความถี่ในการชาร์จ และปรับปรุงประสบการณ์ผู้ใช้โดยรวม ตัวชี้วัดที่เหลือเน้นประสิทธิภาพและใช้เปรียบเทียบผลิตภัณฑ์จากผู้ผลิตต่างๆ

อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR)

อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนวัดเป็นเดซิเบล (dB) และระบุเป็นค่าสูงสุด เป็นวิธีการวัดประสิทธิภาพของเซนเซอร์ในสัญญาณขนาดเล็ก (เช่น แสงน้อย) ค่าที่สูงขึ้นบ่งบอกถึงประสิทธิภาพที่ดีขึ้น ค่า SNR สูงสุด SNRmax สะท้อนถึงความจุเต็มที่เชิงเส้น (LFW) หรือโดยพื้นฐานแล้วคือจำนวนโฟตอนที่พิกเซลสามารถจับได้

ช่วงไดนามิก

ช่วงไดนามิกยังวัดเป็น dB ซึ่งแสดงอัตราส่วนของสัญญาณอินพุตที่วัดได้สูงสุดต่อสัญญาณอินพุตที่วัดได้ต่ำสุด (เช่น ระดับสัญญาณรบกวน) บ่งบอกถึงความสามารถของเซนเซอร์ในการจัดการสัญญาณอินพุตที่มีความเข้มต่างกันภายในฉากเดียวกัน ค่าเดซิเบลที่สูงขึ้นดีกว่า อุโมงค์เป็นตัวอย่างที่ดีของฉากที่ต้องการช่วงไดนามิกสูง เพราะภายในอุโมงค์อาจมืดในขณะที่แสงภายนอกสว่าง เซนเซอร์ต้องสามารถปรับให้เข้ากับทั้งสองสถานการณ์ในฉากเดียวกันได้

นอกเหนือจากตัวชี้วัดประสิทธิภาพแล้ว แอปพลิเคชันบางประเภทอาจต้องการให้เซนเซอร์มีคุณสมบัติบางอย่างเพื่อให้สามารถทำงานเฉพาะหรือมีความสามารถพิเศษได้ ไม่ใช่เซนเซอร์แบบโกลบอลชัตเตอร์ทั้งหมดที่มีฟังก์ชันเหล่านี้ ความต้องการของแอปพลิเคชันจะกำหนดว่าต้องการฟังก์ชันใด และสามารถพิจารณาเซนเซอร์ใดได้บ้าง

เซนเซอร์ซิงโครนัส

ข้อดีอย่างหนึ่งของชัตเตอร์แบบโกลบอลที่เปิดรับแสงอาร์เรย์เซนเซอร์ทั้งหมดพร้อมกันคือ ช่วงเวลาที่อาร์เรย์เปิดรับแสงสามารถซิงโครไนซ์กับเหตุการณ์อื่นๆ (เช่น เซนเซอร์อื่นๆ และแฟลช) ได้อย่างแม่นยำ

ผ่านโหมด "ทริกเกอร์" ของเซนเซอร์ซิงโครนัส สามารถควบคุมแฟลชเพื่อให้แสงสว่างแบบแอคทีฟที่แม่นยำ หรือซิงโครไนซ์กล้องหลายตัวเพื่อการถ่ายภาพสามมิติหรือหน้าจอกว้าง

ค่าแสงอัตโนมัติแบบฝัง

ฟังก์ชันค่าแสงอัตโนมัติช่วยให้เซนเซอร์สามารถควบคุมเกนและค่าแสงโดยอัตโนมัติตามสภาพแสงที่กำหนด ค่าแสงอัตโนมัติเป็นฟังก์ชันพื้นฐานที่เซนเซอร์ปรับให้เข้ากับสภาพแสงแบบไดนามิก

โดยการฝังฟังก์ชันนี้ลงในเซนเซอร์โดยตรง จะช่วยให้ควบคุมค่าแสงได้เร็วขึ้น ทำให้สามารถตอบสนองแบบเรียลไทม์ได้ ในขณะที่การพึ่งพาการควบคุมจากโฮสต์จะตอบสนองช้ากว่า สำหรับแอปพลิเคชันความเร็วสูงส่วนใหญ่ ค่าแสงอัตโนมัติแบบฝังเป็นสิ่งจำเป็น

การสลับฉาก

ฟังก์ชันการสลับฉากช่วยให้เซนเซอร์สามารถเปลี่ยนการตั้งค่าได้อย่างรวดเร็วตามความละเอียด เกน ค่าแสง และอัตราเฟรมที่แตกต่างกัน เพื่อปรับให้เข้ากับสถานการณ์การถ่ายภาพที่แตกต่างกัน ในเซนเซอร์หลายตัว "ฉาก" เหล่านี้ถูกเก็บไว้และสามารถเปลี่ยนแบบไดนามิกได้ในการตั้งค่ารีจิสเตอร์เดียว

บริเวณที่สนใจ (ROI) ที่ตั้งโปรแกรมได้และสลับได้

บริเวณในภาพคือชุดพิกเซลที่เกี่ยวข้องซึ่งใช้หลักในการวิเคราะห์วัตถุ ROI ช่วยให้เซนเซอร์สามารถโฟกัสไปที่พื้นที่เฉพาะโดยกรองส่วนอื่นออก นี่คือวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพการส่งข้อมูลและการประมวลผล ROI ที่ตั้งโปรแกรมได้ทำให้แอปพลิเคชันคอมพิวเตอร์วิทัศน์แบบเรียลไทม์เป็นไปได้

สรุปแล้ว ตัวชี้วัดที่เน้นแอปพลิเคชัน ตัวชี้วัดที่เน้นประสิทธิภาพ และฟังก์ชันเฉพาะสามารถใช้ร่วมกันเพื่อช่วยเลือกเซนเซอร์แบบโกลบอลชัตเตอร์เฉพาะจากชุดเซนเซอร์ และระบุผู้ผลิตเซนเซอร์ที่ตรงตามข้อกำหนดการใช้งานปลายทาง

เซนเซอร์ชัตเตอร์แบบโกลบอลซีรีส์ Hyperlux SG

onsemi ได้พัฒนาซีรีส์เซนเซอร์ชัตเตอร์แบบโกลบอลประสิทธิภาพสูงขนาดเล็กที่ชื่อว่า Hyperlux SG ซึ่งรวมถึงผลิตภัณฑ์ ARX383, AR0145 และ AR0235 เซนเซอร์ซีรีส์ Hyperlux SG ผสานประสิทธิภาพชัตเตอร์แบบโกลบอล (GSE) ชั้นนำของอุตสาหกรรมเข้ากับการใช้พลังงานต่ำ ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับแอปพลิเคชันแบบพกพาและที่มีการสั่นสะเทือนสูง

รูปที่ 1 ตระกูลเซนเซอร์ภาพ Hyperlux SG

ซีรีส์ Hyperlux SG ใช้การออกแบบพิกเซลชัตเตอร์แบบโกลบอลที่แปลกใหม่และเป็นนวัตกรรม ซึ่งได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการจับภาพฉากเคลื่อนไหวอย่างแม่นยำและรวดเร็ว ไม่ว่าจะในสถานการณ์แสงน้อยหรือสว่าง ก็สามารถถ่ายภาพที่คมชัดและมีสัญญาณรบกวนต่ำ

ซีรีส์เซนเซอร์ Hyperlux SG มีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

• การสะท้อนแนวนอน/แนวตั้ง การเลือกหน้าต่าง และการรวมพิกเซล
• บริเวณที่สนใจ (ROI) ที่ตั้งโปรแกรมได้
• โหมดทริกเกอร์บนชิปสำหรับการซิงโครไนซ์
• ค่าแสงอัตโนมัติบนชิป
• การควบคุมแฟลชในตัว
• การสลับฉาก
• การควบคุมแบบยืดหยุ่นสำหรับโหมดข้ามแถวและข้ามคอลัมน์

ความละเอียดของชุดเซนเซอร์มีตั้งแต่ VGA (640 x 480) ถึง 2.3 ล้านพิกเซล (1920 x 1200) รูปแบบออปติคอลมีตั้งแต่ 1/8 นิ้วถึง 1/2.8 นิ้ว และอัตราเฟรมสูงถึง 120 เฟรมต่อวินาที เหมาะสำหรับการใช้งานถ่ายภาพความเร็วสูงที่หลากหลาย แต่ละข้อกำหนดมีข้อได้เปรียบเมื่อเทียบกับผลิตภัณฑ์อื่นที่คล้ายคลึงกัน และเป็นเพราะการผสมผสานระหว่างประสิทธิภาพและฟังก์ชันที่ยอดเยี่ยมที่ทำให้เซนเซอร์ซีรีส์ Hyperlux โดดเด่นในตลาด เซนเซอร์เหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับแอปพลิเคชันความเร็วสูง รวมถึงการสแกนบาร์โค้ด Machine Vision, AMR, AGV, AV/VR/MR, โดรน และการสแกน 3 มิติ

รูปที่ 2. สาขาการประยุกต์ใช้ Hyperlux SG

เพื่อส่งเสริมการศึกษาเกี่ยวกับผลิตภัณฑ์และการออกแบบระบบ ยังมีแพลตฟอร์มการพัฒนาที่ครอบคลุมซึ่งช่วยให้สามารถพัฒนาระบบได้อย่างรวดเร็ว รวมถึงฟังก์ชันการทดสอบที่สมบูรณ์เพื่อประเมินผลิตภัณฑ์ก่อนการออกแบบ และให้การออกแบบอ้างอิงที่ใช้ในขั้นตอนการออกแบบ

เซนเซอร์ชัตเตอร์แบบโกลบอลเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานภาพความเร็วสูง เมื่อเลือกประเภทชัตเตอร์แล้ว ยังมีข้อกำหนดและฟังก์ชันต่างๆ ให้เลือกอีกมากมายเพื่อให้แน่ใจว่าเซนเซอร์เหมาะสมกับการใช้งานที่คาดหวัง

ในการประเมินเซนเซอร์ชัตเตอร์แบบโกลบอล ข้อพิจารณาที่สำคัญที่ต้องคำนึงถึงอยู่เสมอคือประสิทธิภาพชัตเตอร์แบบโกลบอล (GSE) หากไม่มี GSE ที่สูงเพียงพอ ข้อกำหนดอื่นๆ ทั้งหมดรวมกันอาจยังคงทำให้เกิดความผิดเพี้ยนของการเคลื่อนไหวที่ยอมรับไม่ได้ในภาพ onsemi ได้พัฒนาซีรีส์เซนเซอร์ชัตเตอร์แบบโกลบอล Hyperlux SG สำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการการใช้พลังงานต่ำ ประสิทธิภาพสูง และ GSE สูง