Topaz是Teledyne e2v產(chǎn)品系列的最新成員，是工業(yè)CMOS圖像傳感器的一大重要進步。Topaz傳感器設有150萬像素和200萬像素兩種分辨率，采用了最先進的低噪聲、僅2.5 x 2.5μm全局快門像素技術。它們提供的光電轉換性能是幾年前兩倍于其尺寸的像素所難以達到的，并通過1.2GHz的2通道MIPI CSI-2與CPU、ISP、DSP芯片組無縫連接，對于150萬像素版本，在8bits下可達130 幀。

這些全新的1,920 x 1,080和1,920 x 800像素格式提供了功能強大的解決方案，并為許多應用提供了緊湊的移動設計。裝在4.45mm寬的芯片尺寸封裝（CSP）中，光學陣列與封裝的機械中心相匹配，從而設計出超薄的移動相機和模組。Topaz150萬像素傳感器具有獨特的2.4:1寬高比，使其尤其適合快速移動的物體或傳送帶上的條碼。現(xiàn)代制造業(yè)和物流配送中心需要通過提高傳送帶速度來提高生產(chǎn)力水平。然而，這受限于傳統(tǒng)自動檢測和掃描相機系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在上述應用中使用較為傳統(tǒng)的4:3或方形格式的機器視覺傳感器，它們存在許多冗余垂直像素的嚴重缺點，而且?guī)瘦^低。

Topaz新型傳感器的尺寸較?。?.45mm x 7.65mm），使其尤其適用于微型OEM條碼引擎設計、移動終端和掃描器、物聯(lián)網(wǎng)、非接觸式認證系統(tǒng)、可穿戴設備、無人機和機器人。

不過，這不僅僅是尺寸問題。掃描快速移動的物體需要非常短的積分/曝光時間，以避免捕獲的圖像出現(xiàn)模糊。短的積分時間意味著積累的光子更少，然后需要信號增益來產(chǎn)生適當?shù)幕叶戎岛蛯Ρ榷取＿€有一些進一步減少可用光子（甚至在它們到達圖像傳感器之前）的額外光學因素。值得注意的是，需要高F數(shù)的鏡頭以確保在所需的工作范圍或距離上捕獲一個充分聚焦的圖像。更高的F數(shù)意味著更小的光圈，從而再次減少了傳感器上的可用光線，如前所述，增加曝光時間并不是一個選項。那么傳感器的低光信噪比特性將是一個關鍵參數(shù)，如果這個參數(shù)不佳，唯一的補救措施就是增加照明。然而，這一措施伴隨額外的LED和電源成本以及更為嚴格的熱管理設計，以限制傳感器暗信號噪聲的增加，通常結節(jié)溫度每增加6到8度，暗信號噪聲就會增加一倍。

為了應對這些低光挑戰(zhàn)，較小的2.5μm全局快門像素具有"像素內"CDS（相關雙采樣），以實現(xiàn)通常為3個電子的總讀出噪聲。同時，先進的雙導光板與零隙微透鏡最大限度地提高進入像素感光區(qū)的光線耦合度，以實現(xiàn)低光下的良好信噪比。導光板和微透鏡還能實現(xiàn)一個很寬的角響應，更接近于背照式像素，盡管Topaz采用正面照明技術。這些"像素內"光學元件也減少了像素與像素之間的串擾，從而提供清晰圖像。

針對圖像質量的進一步討論需要重點關注暗信號及其對固定模式噪聲（FPN）的影響，尤其是在高溫環(huán)境下。高暗信號不均勻性（DSNU）往往會導致圖像中出現(xiàn)更多可見的VFPN/HFPN，即使利用了補償技術。Topaz傳感器具備的兩個特性確保高溫下圖像質量的優(yōu)越性。首先，使用的半導體工藝節(jié)點對暗信號進行了充分優(yōu)化，在25°C環(huán)境下通常只有3.5e-，在60°C只達到65e-。其次，垂直和水平的FPN通過片上處理得以減少，即使在高溫下也能提供可利用的圖像。

Topaz的應用優(yōu)勢

手持/固定和移動條碼讀取器，OEM掃描引擎，自動識別：

目前用于大多數(shù)條碼讀取器的CMOS傳感器約為100萬像素，各設備制造商正在進行價格競爭，利潤率受到侵蝕。Topaz這一新品屬于升級版，由于其更高的分辨率和獨特的寬幅，可以實現(xiàn)更長或更寬的掃描范圍。這對需要較大面積/視場（Field of View）的零售和物流掃描領域非常實用。相比于現(xiàn)有的解決方案，最終用戶受益于速度更快的傳送帶和更大的吞吐量。

文件掃描也需要寬幅，并且在物流和包裹遞送的移動條碼終端中是一個特別實用的功能。

出色的性價比實現(xiàn)大批量采用。憑借微小的占地面積，它們得以成為驅動全球最小的OEM掃描引擎和最薄的移動平臺的理想選擇。在200萬像素全分辨率和最大幀率下，工作功耗僅為200mW，確保了手持和移動應用中更長的蓄電池連續(xù)使用時間。具有精細模擬增益控制的低光信噪比性能，通過將LED功率預算降到最低，在系統(tǒng)層面節(jié)約成本。

Topaz的嵌入式功能還能實現(xiàn)最快的條碼讀取優(yōu)勢。快速喚醒模式使用專有的上電復位方法，確保在省電方案中通電后，第一幀可以在10mS內解碼。憑借幀與幀之間的現(xiàn)場控制寄存器和下一幀的快速更新，傳感器得以快速重新配置，從而減少圖像數(shù)據(jù)的浪費。

為未來而建

用于零售業(yè)POS（銷售點）的固定式條碼掃描儀除條碼讀取外還趨向于物體識別，因此水果、蔬菜和不易讀取的標簽可以不受任何干預地通過自助收銀臺，改善顧客的購物體驗。RGB模式的Topaz可以增強物體識別能力，并為傳統(tǒng)的條碼讀取保持足夠的空間分辨率。

機器視覺、機器人技術和嵌入式成像應用：

憑借高效全局快門（在660 nm時1/PLS通常高于4000），Topaz得以成為通用機器視覺應用的高效傳感器，例如工廠自動化、自動檢測等。這些應用往往傾于方形陣列。為了實現(xiàn)這一點，Topaz可以在水平方向上進行裁剪或2 x 2像素合并，因此單一相機設計就能滿足所有要求。設有全面觸發(fā)輸入和輸出（包括一個切換現(xiàn)場寄存器的硬件觸發(fā)輸入）。

機器人設備用于揀選和放置或將貨物從一個地方運至另一個地方，使用二維條碼讀取器識別貨物或料箱，同時也在工廠車間內進行導航。如前所述，Topaz專為這項工作打造。出于安全和避免碰撞，不時還需用到3D，由于設備體積較小，小型立體3D相機系統(tǒng)易于設計。還有多個I2C地址（x2），因此最多2個獨立的傳感器可以占據(jù)同一控制總線。

隨著部署人工智能和機器學習，嵌入式視覺系統(tǒng)的普及已經(jīng)顯著增加。Topaz可以成為這些系統(tǒng)的關鍵，通過簡單的單通道或雙通道MIPI CSI-2接口，與通用的ISP處理器平臺無縫連接。Teledyne e2v推出了協(xié)助開發(fā)人員完成特定任務的基本Linux驅動程序。計劃明年推出基于Topaz傳感器的光學模組，進一步簡化嵌入式計算機視覺系統(tǒng)的集成工作。

無人機、可穿戴相機和物聯(lián)網(wǎng)邊緣成像：

基于Topaz的較小尺寸、重量和低功率，它還可應用于無人機或遠程物聯(lián)網(wǎng)相機等。全高清圖像格式與16:9顯示器的兼容性使該設備自然適合于遠程視覺檢查或監(jiān)視應用。內部溫度傳感甚至可以提供額外的環(huán)境信息和/或進行校正溫度相關偽影。

醫(yī)學成像：

基于較小體積，牙醫(yī)行業(yè)可以受益于基于Topaz的口腔2D或3D相機。同樣，也可實現(xiàn)用于牙科匹配應用的彩色相機。

一個日益受到人們關注的領域是醫(yī)療定點照護掃描產(chǎn)品。通過這些多功能手持終端，病人能夠在家通過視頻通話與醫(yī)生進行遠程醫(yī)療檢查。隨著隔離和家庭護理的需要，新冠疫情顯著推動了這一市場。相機是這些終端的組成部分，需要執(zhí)行廣泛功能，例如能夠放大區(qū)域和監(jiān)測術后瘢痕組織的進展情況。其他生物識別和計量任務也需使用同一臺相機，Topaz就是一個理想的解決方案。

Topaz的主要性能參數(shù)和特點總結：

?2.5 x 2.5 μm全局快門像素

?分辨率（像素）1,920 (H) x 1,080 (V) 以及1,920 (H) x 800 (V)

?黑白或彩色，設有微透鏡

?1/3.2英寸光學尺寸與對角線CRA 14°或21°（200萬像素）或13.2°或20°（150萬像素）兼容

?最大幀率：(150萬像素版本)：130fps@ 8bits, 80fps @ 10bits

?最大幀率：(200萬像素版本)：100fps @ 8bits, 65fps @ 10bits

?總讀出噪聲3.3e-

?暗信號3.5e- @25°C

?最大信噪比38dB

?MTF @ Nyquist, 在550 nm時高于60%

?飽和容量通常為6,000 e-

?QE @ 550 nm時高于55%

?CSP封裝尺寸4.45 mm（V）x 7.65 mm（H）

實用片上嵌入式功能的摘要：

?2種取景窗口模式（SIMR和MIMR）

?圖像腳注中的圖像統(tǒng)計和直方圖

?全面I/O觸發(fā)功能

?最多16倍的高性能模擬增益

?快速喚醒，少于10 ms內即可獲得第一幅優(yōu)質圖像

?基于幀與幀之間的現(xiàn)場控制寄存器，由系統(tǒng)/軟件或硬件觸發(fā)

?暗信號校正和VFPN/HFPN校正

?片上電壓調節(jié)器/轉換器

?最多1/64的亞采樣