1999 年自摩托羅拉分拆出來的安森美半導體 (ON Semiconductor)，迄今核心市場已涵蓋汽車、工業、通訊、消費和電腦運算，前三者成績尤為亮眼；不僅電源產品聞名，影像感測器 (Image Sensor) 若加計策略性併購而來的資源，亦擁有逾 40 年的發展歷史，技術專利和產品陣容強大。在本刊日前舉辦的【Pop-up Q&A Webinar 智慧製造】社群活動中，安森美半導體智慧感知部 (ISG) 工業及消費分部市場經理陶志與我們分享「成像技術 vs. 影像感測器」選用邏輯及個中利弊。
照片人物：安森美半導體智慧感知部 (ISG) 工業及消費分部市場經理陶志
高速率、短曝光，快速讀取防止運動模糊
陶志引述研調機構 Yole Développement 資料指出，安森美在工業機器視覺及邊緣人工智慧 (AI) 市佔已遙遙領先其他競爭者。就他們所見，常見的 AI 工業應用有：集裝箱／鈑金／食品新鮮度／印刷電路板 (PCB) 檢測，具體需求包括：測量／計量、位置／導引、計數／檢驗、解碼／識別，以便賦能快速而準確的決策，也為影像感測器的成像技術帶來挑戰，諸如：解析度、影像品質、畫面播放速率、系統大小、功耗和成本等，皆是重要參數。
「全域快門」不失真且輪廓清晰
她以工業機器視覺 vs. 高速裝配／檢驗線上的快速移動物體為例，想要得到正確的品質檢查結果，首先須具備高速率、短曝光控制才能快速讀取，防止運動模糊。其次，全域／全局快門 (global shutter) 優於逐行曝光、會發生扭曲變形的捲簾快門 (rolling shutter)。這是因為全域多了儲存電荷的 SD (Storage Diode，儲存二極體)，可同時、在同一狀態下曝光，不會失真且輪廓清晰，而「全域快門效率」(GSE) 是其關鍵——關閉時，快門遮擋光線的效果。
圖1：捲簾快門 (左) 會讓影像失真扭曲，全域快門 (右) 輪廓清晰易於辨識
資料來源：安森美半導體提供
若 SD 遮光良好、GSE 高，代表不易受到串擾、反射、折射影響，不讓應被遮光處受到污染；簡言之，GSE 攸關量化像素 (pixel，或稱「圖元」) 對寄生光 (Parasitic Light) 污染的敏感性，以判斷遮光性能優劣。陶志深入解釋，PLS (Parasitic Light Sensitivity，寄生光敏感度) 與 GSE 成反比——PLS 越高、GSE 越低，意謂影像品質差，恐有污點、陰影／偽影、漏圖等現象，高光量環境差異尤其明顯：高 GSE 所呈現之標的物影像紋理清晰可辨，而低 GSE 容易映射出背後陰影。
圖2：高 GSE 遮光性能佳 (左)，標的物影像紋理清晰
資料來源：安森美半導體提供
高解析度提升 AOI 效率，洞悉影像細節
陶志透露，平板檢測是工業機器視覺之影像感測器最具挑戰性的應用，包括通電前的暗檢測——查找螢幕上的指紋、滑痕或其他物理問題，以及組裝後端的通電檢測——RGB 色彩、平整度、一致性和背光表現；凡此種種，皆須借助高解析度實現。陶志回顧，早期面板檢測最小單位只需 3X3 畫素，但現今要檢測 OLED、MicroLED 等背光一致性，至少需 4X4 或 5X5 才足以應付。換算下來，以前檢測一塊平板約需 2,900 萬像素，但目前已跳升到 1.5 億像素！
PCB 的自動光學檢測 (AOI) 亦需高解析度相助，傳統的 3K X 4K 速率低落，改用安森美一款 XGS 45000 的 8.2K X 5.5K 影像感測器，解析度達 4,500 萬，可同時檢測到 3.9 倍的量體，大幅提升生產效率。「8K 監控／廣播設備除了高解析度檢測，更看重解析度與幀率、頻寬結合以洞悉影像細節，7680 X 4320 @ 60fps、12 位元是理想規格」，陶志說。此外，圖像比例、動態範圍與「近紅外線」(NIR) 增強技術也不容忽視。
圖3：PCB 檢測比較
資料來源：安森美半導體提供
圖像比例、HDR、NIR 增強，任何場景皆輕鬆應對
要提供真正的 1080p 解析度，須達 1920 X 1200 像素水準；而條碼長度＞6吋的標籤 (GSI-128)，亦須具備高像素的單鏡頭快速讀取。另一個衡量因子是高動態範圍 (HDR)，牽涉到高光區、低光區不同光量強度的分佈範圍，對比度多落在 20～80dB 區間。陶志說明，高光、低光同時並存的工業場景約在 60dB，識別已屬不易；若在戶外光照強的環境下、又要同時辨識車內陰暗人物等智慧交通／汽車應用，動態對比更上看 80dB。
這與曝光時間有關：像素曝露於場景的時間很短且並非始終相同，暗光場景光子少、填充像素時間變少，需較長曝光以獲取更多數據；反之，高光照僅需短曝光。難就難在：高光、暗光並存，須透過多重曝光技術合成及線性化處理、重新成像，這對於須識別不同場景的 AI 應用至關重要。最後一項是 NIR 增強。陶志剖析，標準矽基製程的成像較暗，加入 850～900nm NIR 後亮度 (靈敏度) 可提高三倍，可減少夜間 LED 補光和功耗，滿足夜間成像和導航所需。
圖4：生活中常見的場景動態對比示例
資料來源：安森美半導體提供
為此，安森美備有 PC-based 的 DevSuite 評估系統，方便開發者針對輸出尺寸、幀率、增益與曝光等硬體功能，以及圖形化、色彩管理、降噪、統計等軟體調校進行設計前評估。陶志強調，不同應用場景有不同的影像感測需求，安森美的建議及對應產品如圖5 所示。整體而言，AI 成像秘訣在於：1.以全域快門捕捉移動場景；2.以 HDR 捕捉強光、微光並存場景；3.以 NIR 輔助 LED 照明，用於微光拍攝和夜視相機；4.考慮光學和解析度以因應視場 (FOV) 和場景邊緣細節。
圖5：不同應用場景 vs. 不同影像感測需求 vs. 安森美建議方案
資料來源：安森美半導體提供
基於 SiPM 的單點 dToF 光達，準確獲取深度訊息
與此同時，為進一步呈現立體形狀和景深，對於飛時測距 (ToF) 的深度感測需求正在增加，而解析度較高、功耗較低、抗干擾能力較強的 dToF (直接 ToF)，日益受到關注，但單光子雪崩二極體 (SPAD) 製程難度高、系統集成複雜是其缺點。安森美推出基於自有矽光電倍增器 (SiPM) 技術的單點 dToF 光達方案，將許多 SPAD 並聯成 SiPM，當達到雪崩狀態時輸出脈衝計算處理得出光子能量分佈，獲取深度訊息。
陶志表示，dToF 正廣泛應用於立體視覺、結構光、飛行時間、超深度、雷達與醫學正子造影 (PET-CT/MR)。PET 檢測器模組由晶體＋光電探測器組成：一個 PET 偵測環 (ring detector) 約有 30 個探測器模組、內含 3 萬個 SiPM，以取代舊式輻射高、一致性差、檢測時間長的光電倍增管 (PMT)。安森美推出 SiPM dToF 光達參考平台 SECO-RANGEFINDER-GEVK——包括 SiPM 光達測距儀及參考方案，可作為評估套件或完整的參考設計。
圖6：工業 dToF 光達應用
資料來源：安森美半導體提供
這套單點 dToF 光達系統有效範圍為 0.11～23 公尺，具備以下特色：開箱即用、友善的圖形使用者介面 (GUI)、可調節系統變數、帶自動校準的時間數位轉換 (TDC)、軟體可調設置，適合各種工業和物聯網 (IoT) 應用。特別一提，它符合業界雷射安全標準 (IEC/EN 60825-1:2014 和 21 CFR 1040.10 / 1040.11) 以及美國食品藥物管理署 (FDA) 認證。相關資訊參閱：https://www.onsemi.com/support/evaluation-board/seco-rangefinder-gevk。
