本教程圍繞安森美（onsemi） 圖像傳感器模塊參考設計（PRISM）展開，聚焦成像設備從設計到制造的全流程優化需求，系統介紹 PRISM 方案的核心架構、功能模塊、性能特性及生態接入方式，為成像設備從業者提供從設計到制造全流程的實操指導。本文為第一部分，將介紹PRISM 簡介、實現全新器件開發流程、視覺系統五大核心器件等。

創新,盡管字面意為全新創造,卻絕非憑空而來。創新者勇于另辟蹊徑,也難免遭遇挫折,有時甚至是慘痛失敗。過往經驗會告訴產品創新者,曾經嘗試的方案是否可行,也會沉淀下那些從一開始或經過一段時間后證明行不通的方法與路徑。

電子成像技術領域的每一項偉大新創意,都建立在現有平臺之上。無論是成像產品制造領域的新手,還是擁有豐富經驗的行家,創新都需要一個切實可行的起點作為基礎。有時,您恰恰需要這樣一個基礎,才能發現什么是行不通的。 

George Eastman 在對其 1888 年推出的柯達便攜式手持相機進行創新改進時,深思熟慮后得出結論:他擁有專利的鏡間快門結構,難以在大批量生產的設備中持續生產與維護。這樣的洞察,Eastman 或許曾希望自己能早三年擁有。

資料來源：美國國家檔案館

如今,成像平臺廠商完全可以采用創新方案,無需從頭開始、重復造輪子,不必重蹈 Eastman 當年重新研發快門結構的覆轍。安森美推出的 Premier 圖像傳感器模塊參考設計(PRISM) 平臺,是一套預先優化的子系統解決方案,旨在簡化數字成像產品的開發流程。PRISM 為創新者提供低成本、預調校、已優化的模塊化器件,這些器件經過精心設計、可無縫協同,專為產品原型構建量身打造。

PRISM 模塊是一款經過嚴格測試、充分驗證的高品質模塊參考設計,旨在確保出眾的成像性能。該模塊通用性強,可適配各類工業及商用傳感器,即便在客戶早期樣品驗證階段也能游刃有余。它通過采用標準化通用接口,確保傳感器之間靈活適配、無縫切換。

安森美提供轉接板,確保成像器件可與 SoC 平臺無縫集成。對于批量生產,基于 PRISM 開發的器件可輕松適配安森美圖像接入系統 (IAS)。如此一來,采用 PRISM 模塊的器件可與 PRISM 生態合作伙伴的其他硬件轉接板及開發套件集成。

PRISM 有助于簡化成像產品原型構建流程,加快設計進度,縮短產品上市周期。對于成功攻堅克難、最終實現量產的典型圖像傳感器件應用而言,PRISM 最多可將產品上市時間縮短六個月。

安森美PRISM 模塊， 搭載AR0830圖像傳感器

PRISM 能夠縮短設計周期、降低開發成本,解決成像產品設計師在為全新設計或前沿的成像應用構建原型時所面臨的難題。很多時候,基礎技術與架構細節往往成為成像應用設計推進的阻礙,即便是僅僅找到可協同工作、能代表最終設計的合適器件,也困難重重。

在任何涉及光學元件的產品工程項目中,讓所有部件適配有限空間并非最大障礙。對各類光學設備運行而言,光線、空間和氣流與供電同樣至關重要。在處理這些精密器件時,任何因鏡頭景深調節失準、傳感器陣列白平衡失效或接口連接不可靠所造成的拖累都是不可接受的。

典型視覺系統由許多要素組成,包括光學元件(鏡頭)、圖像傳感器、傳感器接口、圖像信號處理器和應用軟件或人工智能 (AI)。

鏡頭的作用是將光線聚焦至傳感器元件。而要實現高效成像,鏡頭必須與傳感器的光學規格匹配。獲取并按需調整所需的視場角 (FOV)、景深 (DOF) 及有效傳感器分辨率,均取決于器件設計師對鏡頭的選型。

與所有光學相機原理一樣,鏡頭光圈與景深呈反比關系,并會影響視場觀感。鏡頭光圈越大,景深越淺,視場角看起來越窄;反之,光圈越小,景深越深,畫面清晰區域更大,視場角也顯得更寬。然而,增大光圈以獲得更深的景深通常會導致分辨率降低。倘若圖像傳感器對低分辨率場景的處理效果不佳,即便目標是呈現更深的景深,最終畫面仍可能模糊不清。

圖像傳感器是一種半導體器件,其作用是對鏡頭投射到其上的光學圖像進行光電轉換,生成可被還原的數字信號。其內部集成了由相互關聯的電容組成的陣列,每個電容都是一個感光單元,即像素。

CMOS 結構的基礎是感光元件陣列。兩個移位寄存器產生脈沖信號,分別控制水平與垂直掃描電路,按行、列依次對每個元件進行尋址。這些電路可對每一行元件先執行復位,然后重新掃描。在復位與掃描之間,每行像素會對入射光進行光電荷積分。系統會采用相應的快門機制:可以是卷簾快門這類機械快門,也可選用電子快門(逐行掃描相機通常采用電子快門,無需進行信號隔行掃描)。

圖像信號處理器 (ISP) 對圖像傳感器采集的原始數據進行數字化處理,并將其重新解釋為實用可靠、誤差極低的數據格式。ISP 通常承擔的處理任務包括:去馬賽克、降噪、色彩校正、伽馬校正等。

物理接口負責確保圖像傳感器與圖像信號處理器所在的片上系統 (SoC) 之間實現完整、暢通的通信。由于這兩類器件在設計與制造中采用不同行業標準,通常會衍生出多套獨立接口規范,業界常用標準多達五種以上。

應用處理器 (AP) 是成像系統的核心數字處理單元。該器件也可集成圖形處理器,用于在顯示器或屏幕上渲染畫面;同時集成數字信號處理器 (DSP) ,以實現圖像增強、圖像處理等專門的處理功能。設備所采用的、供用戶操作的軟件或固件,均由 AP 統一調度。

安森美 AP1302

安森美 PRISM 轉接板

安森美 Demo3板

未完待續，后續推文將陸續介紹評估套件、AP1302協處理器、多種圖像傳感器等。