電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/周凱揚(yáng)）在工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程的持續(xù)推動(dòng)下，行業(yè)技術(shù)已經(jīng)開始朝著智能化、高度集成化和數(shù)字化的方向發(fā)展了，尤其是工業(yè)視覺技術(shù)。為了滿足這三大要求，工業(yè)視覺必須從圖像獲取、處理以及理解上都做到更高的精度，其中處理和理解通過如今的邊緣處理器和機(jī)器視覺算法，已經(jīng)滿足了精度要求。至于圖像獲取的精度，則仍與視覺傳感器息息相關(guān)。

所以在工業(yè)視覺傳感器領(lǐng)域，無論是傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器，還是開始被廣泛應(yīng)用的激光雷達(dá)，都開始朝著高精度、高速率的方向發(fā)展。而高速率這塊的技術(shù)路線我們基本都已經(jīng)知曉了，比如CMOS圖像傳感器追求全局快門，固態(tài)和機(jī)械激光雷達(dá)都開始追求更快的掃描速度。為了實(shí)現(xiàn)更高的精度，圖像傳感器和激光雷達(dá)也在不斷推出芯片，從設(shè)計(jì)上尋求創(chuàng)新。

圖像傳感器－高靈敏度與高像素

與車規(guī)圖像傳感器不同，工業(yè)場景下的CMOS往往沒有動(dòng)輒120dB高動(dòng)態(tài)范圍，或LED頻閃抑制這一類的需求，反倒是全局快門帶來的高速特性常被視為首要要求。但為了進(jìn)一步提升工業(yè)自動(dòng)化的效率，同時(shí)也提高生產(chǎn)良率，工業(yè)圖像傳感器還是有著不少其他參數(shù)上的要求。

相對汽車的大光比戶外環(huán)境，工業(yè)場景絕大多數(shù)位于室內(nèi)，所以這才沒有較高的動(dòng)態(tài)范圍要求?？墒覂?nèi)環(huán)境通常沒有實(shí)現(xiàn)理想的光源全覆蓋，這就需要圖像傳感器的靈敏度越高越好。而相對于我們常見的彩色圖像傳感器來說，黑白與單色圖像傳感器在靈敏度的性能往往會(huì)更好，從而擁有更加優(yōu)秀的弱光精度表現(xiàn)。

除了這一優(yōu)勢外，在分辨率相同的情況下，黑白版本的圖像傳感器在檢測圖像邊緣這樣的任務(wù)上效果更好，同時(shí)由于舍棄了顏色信息，讀取速度可以進(jìn)一步提高，對于工業(yè)線陣相機(jī)的檢測效率來說有著明顯的提高。
思特威就在去年推出了他們的首款線陣CMOS圖像傳感器SC430LA，并采用了背照式和全局快門的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了4K的分辨率。思特威的SC430LA就分為黑白和彩色兩個(gè)版本，其中黑白版本還有1線、2線和3線3種工作模式，1線模式下可以達(dá)到200kHz的行頻。而如果是在全彩成像的工業(yè)視覺應(yīng)用中，SC430LA的彩色版本也支持傳統(tǒng)的Bilinear和先進(jìn)的Trilinear模式，后者可以保留更多的色彩信息，提供更好的圖像品質(zhì)，滿足高精度工業(yè)視覺傳感器的需求。

我們在工業(yè)視覺場景中其實(shí)看到超高像素的圖像傳感器不多，這是因?yàn)樵诓簧賵鼍爸校群退俣炔⒎强梢约娴玫膬纱髤?shù)。而過去的不少應(yīng)用場景，由于圖像處理和理解技術(shù)所限，高精度并非第一要義。

可為了追求更高的精度，尤其是在長距離識別和大規(guī)模物體識別的應(yīng)用中，其實(shí)高分辨率還是一個(gè)繞不開的話題。至于如何在保證實(shí)現(xiàn)更高分辨率的基礎(chǔ)上，維持一個(gè)較高的速率，才是解決問題的關(guān)鍵。

Teledyne給出了一個(gè)分辨率與速度兼并的答案，那就是具備6700萬像素的Emerald 67M。如此高的像素量已經(jīng)完整覆蓋了8K的分辨率，可以隨意通過ROI特性來在單張高分辨率圖像中捕捉到更多的物體?？扇绱舜蟮臄?shù)據(jù)量通常意味著讀出速度會(huì)面臨著巨大的考驗(yàn)，但Teledyne的Emerald 67M依舊實(shí)現(xiàn)了超高的性能。
Emerald 67M分為高速版和超高速版，其中超高速版可以在10bit輸出下實(shí)現(xiàn)65fps的超高幀率，讀出噪聲卻只有2.5e-，500nm下的量子效率做到了66%。要知道超高像素的傳感器往往在靈敏度上往往是處于劣勢的，Emerald 67M在提供6700萬像素的同時(shí)，依舊保留了供工業(yè)視覺應(yīng)用的高靈敏度和高速特性。

激光雷達(dá)－新架構(gòu)和高線數(shù)

一眾固態(tài)雷達(dá)中，在提升激光雷達(dá)精度的方法上最為特殊的可能是Ouster的數(shù)字激光雷達(dá)。Ouster采用了半導(dǎo)體化設(shè)計(jì)的方式，將光電器件全部集成到了芯片之中，并通過芯片工藝和設(shè)計(jì)來提高激光雷達(dá)精度。例如他們基于40nm工藝打造的L2和L2X芯片，以及使用全新工藝打造的L3芯片。
從2017年的L1芯片到2019年的L2芯片，Ouster將其激光雷達(dá)芯片的工藝從130nm升級至40nm，把激光雷達(dá)的分辨率從64線提高至128線。如今REV7系列數(shù)字激光雷達(dá)所用的L3芯片，已經(jīng)做到了單芯片1.25億的晶體管數(shù)量和520萬的點(diǎn)頻速度。

如此高的集成度也讓Ouster可以在可靠性上更進(jìn)一步，比如做到IP68乃至IP69K的防護(hù)等級，也比其他機(jī)械激光雷達(dá)更容易解決沖擊與振動(dòng)帶來的干擾，更適合復(fù)雜的工業(yè)場景，為AMR等工業(yè)機(jī)器提供更高的安全性，并減少停機(jī)時(shí)間。

從Ouster的例子來看，他們通過提高數(shù)字激光雷達(dá)芯片的集成度來實(shí)現(xiàn)更高的線數(shù)。在激光雷達(dá)領(lǐng)域，往往線數(shù)決定了角分辨率，也就決定了精度，所以128線數(shù)以上的激光雷達(dá)一般都被稱為高清激光雷達(dá)。


光秒科技在去年推出了首款1024線的超高清混合固態(tài)激光雷達(dá)，GM1024。其中GM1024-A更是可以實(shí)現(xiàn)1024*1024線數(shù)和20Hz的頻率，在120°的水平視場角上做到0.088°的角分辨率，在25°的垂直視場角上做到0.024°的角分辨率。再加上GM1024本身采用過的是1550nm的波長，如此高的分辨率可以在遠(yuǎn)距離探測對象上實(shí)現(xiàn)前所未有的精度。
雖然該激光雷達(dá)集成了100Base-T1車載以太網(wǎng)接口，但其IP67防水防塵的物理設(shè)計(jì)以及額外的TpyeC、HDMI與1/4螺紋接口，意味著其同樣可以面向工業(yè)自動(dòng)化目標(biāo)識別與抓取。擁有如此高的精度，GM1024無疑可以靈活運(yùn)用在不同的工業(yè)場景內(nèi)。例如長距離的作業(yè)環(huán)境中，GM1024可以在遠(yuǎn)處就完成對象的識別，解決了因?yàn)楣I(yè)場景中高速流水線帶來的感知滯后問題。

寫在最后

隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)朝著更先進(jìn)的工藝發(fā)展，工業(yè)視覺傳感器的高精度勢必會(huì)成為與高速并列的重要需求，尤其是在芯片封裝檢測之類的高精密工作場景中。圖像傳感器也在緩慢地推進(jìn)自身制造工藝，所以速度與精度兩手抓也是一個(gè)良性循環(huán)，在保證高生產(chǎn)效率的同時(shí)，仍然能夠提供讓人眼前一亮的性能。

雖然如今不少激光雷達(dá)廠商都在追求車規(guī)級量產(chǎn)，但依賴單一市場對于產(chǎn)品而言存在不少的風(fēng)險(xiǎn)。Ouster等機(jī)械激光雷達(dá)廠商在這方面就做得要更好一些，從Ouster上季度的財(cái)報(bào)來看，其營收占比中38%來自工業(yè)領(lǐng)域，37%來自機(jī)器人領(lǐng)域。雖然機(jī)械激光雷達(dá)上車進(jìn)度不佳，但對于工業(yè)視覺領(lǐng)域仍是一個(gè)吃香的選擇，況且不少激光雷達(dá)廠商都開始多技術(shù)路線布局。相信如果更多的激光雷達(dá)廠商入局工業(yè)視覺的話，其成本和精度會(huì)再度迎來優(yōu)化。