高分辨大靶面或成為工業自動光學檢測技術的趨勢

當前，機器視覺技術正成為現代工業中的核心驅動力。中國機器視覺市場規模呈現持續增長態勢。中商產業研究院發布的《2024-2029年中國機器視覺行業市場前景預測及未來發展趨勢研究報告》顯示，2023年中國機器視覺市場規模達到185.12億元，同比增長8.49%。預計2024年中國機器視覺市場規模將增長至207.17億元。（數據來源：GGI、中商產業研究院整理）

機器視覺檢測設備可以應用于自動化生產線上，對產品的外觀、尺寸、缺陷等進行檢測，實現快速、高效的品質控制。在工業檢測領域，CMOS圖像傳感器的重要應用之一是自動光學檢測（AOI），包括顯示面板檢測、PCB檢測、電子元器件檢測等。

據Yole統計，2022年工業領域CMOS圖像傳感器全球銷售額為8.65億美元，同比增長24%。預計到2028年，工業領域CMOS圖像傳感器的銷售額達13.91億美元，復合增長率約為8%。

當前，工業自動光學檢測的痛點主要體現在如下兩個方面：

一是如何把產品細微缺陷通過圖像成像出來？這就要求圖像傳感器具備更高的分辨率；

二是如何把形態各異、復雜多變的產品缺陷高效準確地檢測出來？為應對高檢測通量和非標準化的產線，市場對于高分辨大靶面的相機需求越來越強烈。這也給相機的核心部件CMOS圖像傳感器的性能提出了更高的要求：高分辨率，大視場，小像素，高滿阱等。

隨著行業對于高像素的需求加速，各廠商相繼推出超億像素圖像傳感器。豪威現已發布2億像素圖像傳感器，佳能發布2.5億像素CMOS影像傳感器，威派視半導體發布超6億像素大面陣圖像傳感器……

要實現像素規模的提升，像素尺寸需進一步縮小，信噪比將無法滿足成像需求，這使得CMOS傳感器遇到了顯著的技術瓶頸，各方開始尋求不斷提高分辨率等性能的技術突破路徑。威派視創始團隊于2009年在南京大學期間提出了全新的垂直電荷轉移成像器件（VPS）概念，用單一晶體管實現圖像傳感器像素的全部功能，將像素尺寸由“微米級”推進至“納米級”，最小像素尺寸可達0.5微米，是現代半導體成像技術的新突破。

針對威派視近期發布的VPS800大面陣成像芯片，經第三方評估，VPS圖像傳感器的高分辨、大視場等性能，相比于以往CMOS圖像傳感器有了較大提升。

分辨率測試

1. 檢測項目：

VPS800大面陣圖像傳感器的分辨率性能

2. 檢測方案：

1)搭建光路，調節鏡頭和VPS芯片的距離，使得通過透鏡成像的ISO 12233測試卡的邊緣黑白交界處位于VPS芯片的上下取景線中心；

2)使用光源照射ISO 12233分辨率測試卡，調節VPS芯片在鏡頭焦距處，使得ISO 12233測試卡可以在VPS芯片上成一個大致清晰的像；

3)前后細微調節VPS芯片的位置，拍攝多組圖片，選取最清晰的圖片，讀取VPS芯片的分辨率。

圖1 分辨率實驗光路圖

3. 檢測結果：

通過圖片讀取VPS芯片的分辨率約為1910線每毫米，轉化為線對數也就是約為955lp/mm，基本符合理論計算得到的分辨率極限。

圖2 ISO 12233全幅（左） 中心（右）

大視場高分辨成像測試

1. 檢測項目：

VPS800大面陣圖像傳感器的戶外成像效果

2. 檢測方案：

1)在外景成像實驗室搭建以VPS800大面陣成像芯片為核心的成像系統，對戶外場景和靶標進行成像能力驗證。

2)超大面陣器件采用的光學系統具有高奈頻寬視場的特點，焦距為50mm，視場角2w=36°，后截距為7.8mm；由于光學系統具有大數值孔徑的特點，系統配備了高精度調焦系統，調焦精度為0.5μm。

3)VPS800使用視頻開窗模式配合高精度調焦，將焦面對準至粘貼于400米外的建筑物靶標（A4紙大小）處，驗證VPS800的極限分辨能力。

3. 檢測結果：

VPS800雙采樣輸出圖像像素規模超過6億，距離400m處的視場范圍約300m×220m，如圖3（上）所示。選取原圖局部區域圖像，靶標中“扎根江蘇 服務江蘇”字樣清晰可見，圖3（下）所示。

圖3 戶外全景圖（上） 原圖局部區域圖像（下）

威派視VPS800大面陣成像芯片以自主研發的垂直電荷轉移成像器件（VPS）為核心，擁有單芯片像素規模超6億，可解決現有大面陣相機系統復雜、體積大、功耗高的問題，在獲得長焦距和大視場的同時減小體積、重量、功耗和成本，讓你在看清更大范圍的同時獲得更多微細節，目前主要在醫療、生物顯微、安防監控、商業衛星、機器視覺等場景展開驗證和探索。

隨著成像技術應用的發展，實現這些應用的傳感器和相機也在發展。從基因治療到天文學，各種應用繼續推動著圖像傳感器的性能提升和應用范圍拓展，并將通過研究和開發帶來更大的技術進步。