面向工業(yè)條形碼閱讀器應(yīng)用的低成本高性能圖像傳感器

伴隨著當(dāng)今更低成本和更高性能的工業(yè)相機的趨勢,對CMOS圖像傳感器也提出了更高的要求,需要通過設(shè)計系統(tǒng)級芯片(SoC)來實現(xiàn)這一目標。為實現(xiàn)該目標,需通過3D芯片堆棧和背照(back side illuminated ,BSI)技術(shù),把多個圖像處理任務(wù)集成到單一器件中。在未來將會出現(xiàn)具有精密的機器學(xué)習(xí)和專有的智能計算芯片結(jié)合圖像擷取功能的解決方案,創(chuàng)造出緊湊的高速運算視覺系統(tǒng)。

摘要

可是在實現(xiàn)嶄新的大型技術(shù)集成之前,必需掃除兩個主要發(fā)展障礙 — 芯片的熱量管理和功耗。

現(xiàn)在,先進的前照(front side illuminated ,FSI) CMOS傳感器集成了模擬和數(shù)字功能,實現(xiàn)了成本和效能兼具的解決方案。能夠達成這些目標,關(guān)鍵在于把有利于系統(tǒng)效能及嵌入到圖像傳感器SOC等各種因素的巧妙分隔。在這里,分隔圖像系統(tǒng)應(yīng)用以及諸如CPU、FPGA和DSP等已有圖像處理器件的角色是核心因素,因功能重覆會導(dǎo)致成本上升。而開發(fā)一個能夠為目標應(yīng)用市場提供可行方案,以達到大規(guī)模量產(chǎn)(以實現(xiàn)最低生產(chǎn)成本)的標準圖像SOC產(chǎn)品,事前需要兩個模塊的深入對話。

終端相機產(chǎn)品的主要的市場參與者,包括硬件、軟件、系統(tǒng)建構(gòu)者和光學(xué)工程師,以及一個多范疇的圖像傳感器開發(fā)隊伍,都在貢獻著各自在半導(dǎo)體科技和終端相機產(chǎn)品技術(shù)和應(yīng)用的知識,尋找創(chuàng)新的產(chǎn)品解決方案。

本文將介紹一款面向條形碼讀碼器和其它嵌入式視覺應(yīng)用的CMOS圖像傳感器系列產(chǎn)品、它們的應(yīng)用實例,以及一些未來發(fā)展趨勢。

條形碼 — 現(xiàn)今最流行的編碼系統(tǒng)以及相關(guān)閱讀技術(shù)概況

在以節(jié)假日及季節(jié)性消費零售和網(wǎng)上購物的行業(yè)中,物流運輸、制造和批發(fā)等行業(yè)每日掃描逾50億個條形碼。隨著1970年代全球首個條形碼在一包口香糖上出現(xiàn),現(xiàn)在它顯然是最流行的可讀編碼系統(tǒng),并且不斷發(fā)展新的應(yīng)用范圍。一維條形碼是首個出現(xiàn)的條形碼(并因印刷技術(shù)進步,面積不斷變小),而它仍然是主流技術(shù),可見于零售、運輸和物流及其它行業(yè)的UPC(獨有產(chǎn)品碼)應(yīng)用。二維條形碼有多種不同的規(guī)格,提供相較一維碼更多的可編程數(shù)據(jù):一維碼最大可載入20-25字符,且取決于條形碼類型;二維碼最大可以加載超過2000個字符。除了一般的寫入產(chǎn)品信息和明細功用外,二維條形碼也寫入校驗和(checksum)以及其它校正技術(shù),以確保對印刷錯誤或破損的條形碼有更大的容錯能力。二維碼在一些特定行業(yè)已獲得大量應(yīng)用,如自動化制造行業(yè),零件的直接部件標示(direct part marking ,DPM)等。

  二維條形碼閱讀技術(shù)升級大約在15年前開始,因為它能夠同時閱讀二維碼和一維碼,并成為當(dāng)今的市場主流。

UPC 一維碼

QR二維碼

PDF417 二維碼

Datamatrix 二維碼

圖1:條形碼范例

圖2:不是所有二維碼閱讀器都有同樣的功能

不是所有二維碼閱讀器都有同樣的功能

條形碼驗證和解碼系統(tǒng)正在快速發(fā)展并不斷改進,以提供更快、更緊湊、更低價格和更強大的閱讀功能。

雖然基于激光的一維閱讀器仍然在產(chǎn)和使用,閱讀系統(tǒng)最顯著的技術(shù)進步卻是來自二維閱讀器。二維閱讀器通過圖像傳感器,使得它能夠提供顯著的演算能力,帶來之前不可能出現(xiàn)的附加功能。這些功能包括拍攝照片和錄取視頻,以及加入更多先進功能,常見例子包括文件掃描、光學(xué)字符辨識(OCR,orthogonal character recognition)、物件辨認、尺寸量度,以及更多其它功能。

Teledyne-e2v 的圖像傳感器 是一款面向這一市場上的獨特產(chǎn)品,提供了各種二維傳感器選項以外的更多優(yōu)勢。其中一個主要原因是它經(jīng)設(shè)計專門用于條形碼閱讀,而不是一般面向多用途、消費性或車用市場的產(chǎn)品。這意味著一種精確強大的解決方案,能夠滿足領(lǐng)先市場的條形碼閱讀器產(chǎn)品的一切要求。

Teledyne-e2v 近期開發(fā)出一小像素低噪聲全局快門CMOS圖像傳感器系列產(chǎn)品,擁有獨特功能,能夠為自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Automatic Data Collection System,ADCS)和自動辨識(Auto Identification,AI)市場應(yīng)用帶來顯著成本節(jié)省及/或性能提升的方案。在這一市場區(qū)間,雖然傳感器單元成本是最重要的因素,但諸如照明 / 光學(xué)鏡頭的降成本方案也需要一并考慮。

圖 3: Snappy 是用于工業(yè)條形碼閱讀器的CMOS圖像感測的一種創(chuàng)新面向應(yīng)用方法

2mp和5mp分辨率圖像傳感器

黑白和彩色版本可選CRA 12°和0°

小像素高性能

2.8μm低噪聲全局快門像素,具有像素內(nèi)相關(guān)雙采樣(CDS)技術(shù)

MIPI CSI-2接口用于無黏貼嵌入式成像系統(tǒng)

4x1.2Gbits 通道(可選最小單通道)

片上自動條形碼偵測

智能取景窗口功能實現(xiàn)條形碼快速精確辨認

自動調(diào)節(jié)

快速自曝光模式