隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步和市場競爭的日益激烈，產(chǎn)品的生命周期變得越來越短，因此制造商必須采取一些措施來加快產(chǎn)品的開發(fā)周期。此外，視覺系統(tǒng)在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，需要同時(shí)考慮其性能和造價(jià)等多個(gè)方面的因素。

在這種情況下，制造商可以將資源集中在視覺系統(tǒng)的附加價(jià)值上，比如提升性能、增加功能、提高可靠性等等。通過這種方法，能夠提高視覺系統(tǒng)的市場競爭力，進(jìn)而獲得更大的市場份額和利潤。

2022年9月，Teledyne e2v發(fā)布了Optimom 2M，這是一系列MIPI CSI-2模組中的第一個(gè)產(chǎn)品，正是為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)而推出。該模組將成像和光學(xué)方面的最新創(chuàng)新結(jié)合到一個(gè)一站式成像解決方案中，通過將專有圖像傳感器安裝到帶有固定鏡頭或多焦點(diǎn)鏡頭技術(shù)的面板上。但這些創(chuàng)新具體有哪些，它們又是如何發(fā)揮作用的？它們給基于視覺的系統(tǒng)帶來了哪些好處？

圖像傳感器創(chuàng)新

Optimom 2M模組采用Topaz 2M，這是一款200萬像素全局快門CMOS圖像傳感器，結(jié)合了多種創(chuàng)新，從像素結(jié)構(gòu)到封裝直到芯片設(shè)計(jì)本身。

在一個(gè)純粹的產(chǎn)品性能是產(chǎn)品開發(fā)的唯一驅(qū)動力的世界里，視覺系統(tǒng)制造商會選擇盡可能大的像素，以最大化設(shè)備的靈敏度和滿井容量。然而，在現(xiàn)實(shí)世界中，價(jià)格、外形尺寸和功耗都是重要的考慮因素，所以視覺系統(tǒng)制造商必須通過尋找具有最佳光電性能的圖像傳感器，來平衡他們在尺寸和成本限制內(nèi)最大限度地提高系統(tǒng)光學(xué)性能的愿望，同時(shí)還能夠適應(yīng)某種光學(xué)格式。

根據(jù)目標(biāo)光學(xué)靶面的不同，可接受的最大像素尺寸可能成為一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。此外，從一種光學(xué)格式轉(zhuǎn)變到更小的光學(xué)格式（例如從1.1英寸到1英寸）往往意味著像素尺寸的大幅減少，如圖2中所強(qiáng)調(diào)的那樣。

圖1｜Topaz 2M傳感器與手指的尺寸對比圖

Topaz 2M具有極小的全局快門像素，這使得它能夠與緊湊且經(jīng)濟(jì)高效的1/3英寸鏡頭相匹配，同時(shí)仍然最大限度地提高靈敏度和信噪比。這種像素由TowerJazz利用其65nm技術(shù)開發(fā)，通過利用共享像素結(jié)構(gòu)的概念，使其能夠在2.5μm的小尺寸中執(zhí)行全局快門操作。在Topaz 2M傳感器中，采用了8T共享像素結(jié)構(gòu)，對角線上的兩個(gè)像素共享8個(gè)晶體管，因此結(jié)合了6T像素結(jié)構(gòu)的先進(jìn)功能，如像素內(nèi)校正（又稱CDS或相關(guān)雙采樣），和4T結(jié)構(gòu)的高靈敏度，因?yàn)槊總€(gè)像素的表面只占4個(gè)晶體管。

圖2｜最大像素尺寸，以適應(yīng)特定光學(xué)格式的特定分辨率

深思熟慮的光學(xué)堆棧

在這個(gè)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，憑借像素頂部的開拓性光學(xué)堆棧結(jié)構(gòu)，Topaz 2M傳感器和Optimom 2M模組具有更高的靈敏度。像素通過無間隙頂部透鏡優(yōu)化像素間距，以避免光損失和不必要的反射，但真正的創(chuàng)新在于這種“雙光管”架構(gòu)，該架構(gòu)通過在傳感器的光學(xué)堆棧中創(chuàng)建的微光纖（不同反射率的材料）將光直接引導(dǎo)到光電二極管上。

圖3｜集成像素的光學(xué)結(jié)構(gòu)剖面圖。圖3所示的圖像顯示了嵌入產(chǎn)品中的光學(xué)堆棧的橫截面圖。

芯片封裝

除了優(yōu)化像素尺寸和光學(xué)結(jié)構(gòu)之外，圖像傳感器現(xiàn)在還受益于封裝技術(shù)的進(jìn)步，可降低傳感器成本、重量和外形尺寸。近幾年來，晶圓級封裝技術(shù)在市場上蓬勃發(fā)展，尤其是在移動、汽車或可穿戴設(shè)備等消費(fèi)應(yīng)用領(lǐng)域。

雖然傳統(tǒng)陶瓷(CLGA)封裝已在業(yè)界使用多年，但最近在縮小像素尺寸方面的技術(shù)進(jìn)步為晶圓級封裝打開了大門，它甚至用于工業(yè)檢測、物流或機(jī)器人的高端圖像傳感器。傳統(tǒng)陶瓷(CLGA)封裝需要將裸片單獨(dú)封裝到一個(gè)陶瓷結(jié)構(gòu)中，背面有間隔的焊盤，用于連接到傳感器板，而晶圓級封裝是成批生產(chǎn)的。