Al diseñar soluciones que requieren el uso de sensores de imagen digital CMOS de matriz de píxeles activos, se deben considerar una gran cantidad de especificaciones del sensor. Por ejemplo, la resolución del sensor, el formato óptico, el tipo de obturador, la velocidad de fotogramas máxima, el rango dinámico, la relación señal-ruido (SNR) y la estructura de los píxeles, entre otros. Para mayor complejidad, también se deben considerar las características/funciones del sensor, como el consumo de energía, la interfaz, el tipo de encapsulado, el procesamiento HDR integrado y las regiones de interés. La mejor opción no siempre es evidente.

Para ayudar a filtrar estas especificaciones y funciones, una consideración importante es la aplicación prevista del sensor. Algunas aplicaciones requieren una resolución muy alta para capturar objetos estáticos, mientras que otras necesitan detectar objetos en movimiento rápido y ser capaces de reproducir un efecto de "congelación". Otra consideración importante de la aplicación es el requisito de consumo de energía. En instalaciones fijas, el consumo de energía del sensor puede no ser crítico. Pero en aplicaciones portátiles, el sensor debe funcionar con baterías, por lo que la eficiencia energética del sensor se vuelve crucial.

Al seleccionar un sensor, el punto de partida más adecuado es la velocidad de la aplicación, es decir, la velocidad a la que se mueve el objeto. Esto determinará el tipo de obturador necesario. En el ámbito de los sensores de imagen digital, principalmente solo hay dos opciones: obturador de rodillo y obturador global.

Consideraciones sobre los sensores de imagen

Obturador de rodillo

Los sensores de imagen digital son matrices de píxeles dispuestos en filas. Al usar un sensor de imagen de obturador de rodillo, cada fila de la matriz se expone secuencialmente de arriba a abajo. En otras palabras, el tiempo de exposición de filas adyacentes difiere ligeramente (llamado tiempo de fila), y la diferencia de tiempo entre filas adyacentes es de aproximadamente 10 microsegundos.

En total contraste con el obturador de rodillo, el obturador global expone simultáneamente cada píxel de la matriz. Estos sensores deben tener píxeles con un "nodo de almacenamiento" capaz de retener la carga durante todo el proceso de lectura del sensor. Tanto el obturador de rodillo como el obturador global tienen ventajas y desventajas.

En comparación con el obturador global, el obturador de rodillo es más rentable y más fácil de implementar. En los sensores de obturador global, los nodos de almacenamiento son susceptibles a la luz parásita, por lo que el ruido tiende a ser mayor. Además, el nodo de almacenamiento se encuentra al lado del píxel, lo que impone limitaciones al tamaño del píxel. En contrapartida, la desventaja del obturador de rodillo es su propensión a artefactos de movimiento al capturar objetos en movimiento rápido.

Debido a que la matriz de obturador de rodillo se expone de forma secuencial, se producen distorsiones espaciales al fotografiar objetos en movimiento. Asimismo, dado que diferentes regiones de la matriz se capturan en diferentes momentos (posiblemente bajo diferentes condiciones de iluminación), también pueden verse afectadas por iluminación no correlacionada.

Por lo tanto, las matrices de obturador de rodillo tienen un rendimiento deficiente en la captura de objetos en movimiento, pero son una excelente opción en aplicaciones estáticas de alta resolución.

Obturador global

El obturador global es adecuado para escenarios donde el obturador de rodillo tiene un rendimiento deficiente, incluidos objetos en movimiento rápido, especialmente aquellos con alta velocidad angular. Las aplicaciones donde el obturador global sobresale incluyen la visión aumentada (AV), la realidad virtual (VR), la visión artificial (MV) y cualquier entorno con alta vibración, como lectores de códigos de barras y aplicaciones robóticas.

El obturador global también tiene otras ventajas: dado que toda la matriz se expone simultáneamente, el obturador global puede sincronizarse directamente con otros obturadores globales o fuentes de luz (como flashes). Dado que el obturador global no necesita manejar iluminación no correlacionada, también es más fácil implementar el control de exposición automática.

Consideraciones de rendimiento del obturador global

El primer paso para evaluar el rendimiento del obturador global es consultar sus métricas demostradas. Al evaluar un sensor de obturador global, es necesario considerar métricas orientadas a la aplicación y métricas orientadas al rendimiento. Las métricas orientadas a la aplicación ayudan a seleccionar el sensor adecuado para una aplicación específica dentro de una familia de productos particular, mientras que las métricas orientadas al rendimiento ayudan a comparar productos de diferentes fabricantes.

El método más simple es comenzar con las métricas orientadas a la aplicación. Las cinco métricas principales determinadas por el uso final son las siguientes:

1. Resolución
2. Formato óptico
3. Eficiencia del obturador global (GSE)
4. Velocidad de fotogramas
5. Consumo de energía

La prioridad de estas cinco métricas variará según los requisitos específicos del uso final. Por ejemplo, una aplicación de alta resolución puede requerir una resolución de 2 megapíxeles (MP) y un formato óptico de 1/2.8 pulgadas, mientras que una aplicación de baja resolución puede necesitar solo resolución VGA y un formato óptico de 1/8 de pulgada.

Velocidad de fotogramas

La velocidad de fotogramas se mide en fotogramas por segundo (fps) e indica la cantidad de imágenes que el sensor puede capturar en un segundo. Se requieren velocidades de fotogramas altas para capturar objetos en movimiento rápido y evitar el desenfoque.

Eficiencia del obturador global (GSE)

Como se mencionó anteriormente, la GSE es una relación que indica la capacidad del obturador global para suprimir la luz parásita. Generalmente se especifica bajo una longitud de onda y apertura (f/stop) determinadas. Un valor más alto indica un mejor rendimiento.

Eficiencia energética

La optimización de bajo consumo en aplicaciones de consumo es crucial en el desarrollo, especialmente para aplicaciones como gafas de realidad aumentada (AR), realidad virtual (VR) y realidad mixta (MR). Además, los robots móviles autónomos (AMR) y los lectores de códigos de barras de mano son algunos ejemplos de dispositivos alimentados por batería en el ámbito industrial. Al mejorar la eficiencia energética de estos dispositivos, se puede extender significativamente su vida útil operativa, reduciendo la frecuencia de carga y mejorando la experiencia general del usuario. Las métricas restantes están orientadas al rendimiento y se pueden utilizar para comparar productos de diferentes fabricantes.

Relación señal-ruido (SNR)

La relación señal-ruido se expresa en decibelios (dB) y se especifica como un valor máximo. Es una medida del rendimiento del sensor en condiciones de señal pequeña (es decir, poca luz). Un valor más alto indica un mejor rendimiento. La SNR máxima (SNRmax) refleja con precisión la capacidad de pozo completo lineal (LFW), o básicamente la cantidad de fotones que un píxel puede capturar.

Rango dinámico

El rango dinámico también se expresa en dB y representa la relación entre la señal de entrada máxima medible y la señal de entrada mínima medible (es decir, el nivel de ruido). Indica la capacidad del sensor para manejar señales de entrada de diferentes intensidades dentro de la misma escena. Cuanto mayor sea el valor en dB, mejor. Un túnel es un buen ejemplo de una escena que requiere alto rango dinámico, ya que el interior del túnel puede ser oscuro mientras que la luz exterior es brillante. El sensor debe ser capaz de adaptarse a ambas condiciones en la misma escena.

Además de las métricas de rendimiento, ciertas aplicaciones pueden requerir que el sensor tenga características específicas para poder realizar funciones particulares o tener capacidades únicas. No todos los sensores de obturador global tienen estas funciones. Los requisitos de la aplicación determinarán qué funciones se necesitan y qué sensores se pueden considerar.

Sensor sincronizado

Una de las ventajas de que el obturador global exponga toda la matriz del sensor a la vez es que el instante de exposición de la matriz se puede sincronizar con precisión con otros eventos (como otros sensores y flashes).

Mediante el modo de "disparo" del sensor sincronizado, se puede controlar el flash para una iluminación activa precisa, o sincronizar múltiples cámaras para lograr captura estéreo o de pantalla ancha.

Exposición automática integrada

La función de exposición automática permite al sensor controlar automáticamente la ganancia y la exposición según las condiciones de iluminación dadas. La exposición automática es una función básica para que el sensor se adapte a condiciones de iluminación dinámicas.

Al integrar esta función directamente en el sensor, se puede acelerar el control de la exposición, logrando una respuesta en tiempo real, mientras que depender del control del host resulta en una respuesta más lenta. Para la mayoría de las aplicaciones de alta velocidad, la exposición automática integrada es esencial.

Cambio de escena

La función de cambio de escena permite al sensor cambiar rápidamente la configuración (resolución, ganancia, exposición y velocidad de fotogramas) para adaptarse a diferentes escenarios de imagen. En muchos sensores, estas "escenas" están almacenadas y se pueden cambiar dinámicamente mediante una sola configuración de registro.

Regiones de interés (ROI) programables y conmutables

Las regiones en la imagen son conjuntos de píxeles relevantes, utilizados principalmente para el análisis de objetos. Las ROI permiten al sensor enfocarse en un área específica filtrando el resto. Es un método para optimizar la transferencia y el procesamiento de datos. Las ROI programables hacen posibles las aplicaciones de visión artificial en tiempo real.

En resumen, las métricas orientadas a la aplicación, las métricas orientadas al rendimiento y las funciones específicas se pueden combinar para ayudar a seleccionar un sensor de obturador global específico de entre una gama de sensores y determinar el fabricante del sensor que cumple con los requisitos de uso final.

Serie de sensores de obturador global Hyperlux SG

onsemi ha desarrollado la serie de sensores de obturador global de alto rendimiento y tamaño pequeño denominada Hyperlux SG, que incluye los productos ARX383, AR0145 y AR0235. La serie de sensores Hyperlux SG combina una eficiencia de obturador global (GSE) líder en la industria con un bajo consumo de energía, lo que los hace ideales para aplicaciones portátiles y de alta vibración.

Figura 1 Serie de sensores de imagen Hyperlux SG

La serie Hyperlux SG utiliza un diseño de píxel de obturador global novedoso e innovador, optimizado para capturar escenas en movimiento de manera precisa y rápida. Tanto en condiciones de poca luz como en escenas brillantes, se pueden obtener imágenes claras y con bajo ruido.

La serie de sensores Hyperlux SG tiene las siguientes características:

• Reflejo horizontal/vertical, ventaneo y agrupación de píxeles
• Región de interés (ROI) programable
• Modo de disparo interno para sincronización
• Exposición automática integrada
• Control de flash incorporado
• Cambio de escena
• Control flexible de modos de salto de fila y salto de columna

La combinación de sensores ofrece resoluciones desde VGA (640 x 480) hasta 2.3 megapíxeles (1920 x 1200), formatos ópticos desde 1/8 de pulgada hasta 1/2.8 pulgadas, y velocidades de fotogramas de hasta 120 fotogramas por segundo, adecuados para diversas aplicaciones de imagen de alta velocidad. Cada especificación tiene ventajas en comparación con otros productos similares, y es precisamente la combinación de rendimiento y funciones excepcionales lo que hace que la serie de sensores Hyperlux sea única en el mercado. Estos sensores son ideales para aplicaciones de alta velocidad, que incluyen lectores de códigos de barras, visión artificial, AMR, AGV, AV/VR/MR, drones y escaneo 3D.

Figura 2. Áreas de aplicación de Hyperlux SG

Para facilitar la educación sobre el producto y el diseño de sistemas, también se proporciona una plataforma de desarrollo integral que permite un desarrollo rápido del sistema. Incluye funciones de prueba completas para evaluar el producto antes del diseño y ofrece diseños de referencia para usar durante la fase de diseño.

Los sensores de obturador global son la mejor opción para aplicaciones de imagen de alta velocidad. Una vez seleccionado el tipo de obturador, todavía hay múltiples especificaciones y funciones para elegir, asegurando que el sensor sea adecuado para la aplicación prevista.

Al evaluar un sensor de obturador global, una consideración importante que siempre se debe tener en cuenta es la eficiencia del obturador global (GSE). Sin una GSE suficientemente alta, todas las demás especificaciones combinadas aún pueden producir artefactos de movimiento inaceptables en la imagen. Para aplicaciones que requieren bajo consumo, alto rendimiento y alta GSE, onsemi ha desarrollado la serie de sensores de obturador global Hyperlux SG.