机器视觉创新产品——Emerald™67M图像传感器助力显示器和高端电子产品的检测应用

• 关键词：图像传感器,晶圆,Emerald67M
• 摘要：作为Teledyne Technologies旗下公司及成像解决方案的全球创新者，Teledyne e2v与芯片晶圆代工领先企业TowerJazz联合发布的Emerald™67M图像传感器专为超高分辨率电子检测、高端监控和显微技术而设计。作为Teledyne e2v的Emerald系列的新成员，该传感器采用TowerJazz公司全新研发的65nm工艺制程，是世界上最小的2.5µm低噪声全局快门像素技术。

电子厂商现今面对的是全球对电子产品和显示屏(如智能手机、无人驾驶汽车、智能冰箱和镜等)的暴增式需求。

面对这样的市场需求，厂商需要不断创新显示技术，以便在高饱和的市场和短产品生命周期中突围而出。而显示屏厂商的最大困难之一是如何维持产品的足够利润。以全球首个8K MicroLED 显示屏为例，仅物料清单成本(BOM)预计20万美元，远超过消费者的负担水平。通过提高良率降低生产成本成为了当务之急，这样才能把像OLED和MicroLED这样的新型显示技术以合理价格推向大众市场。

作为Teledyne Technologies旗下公司及成像解决方案的全球创新者，Teledyne e2v与芯片晶圆代工领先企业TowerJazz联合发布的Emerald™67M图像传感器专为超高分辨率电子检测、高端监控和显微技术而设计。作为Teledyne e2v的Emerald系列的新成员，该传感器采用TowerJazz公司全新研发的65nm工艺制程，是世界上最小的2.5µm低噪声全局快门像素技术。

Emerald 67M CMOS 图像传感器

Emerald 67M 的高分辨率和出色图像质量，能够帮助厂商提高和改进检测系统的缺陷检测率，能在生产良率提高方面起到关键作用，通过良率提升从而提高盈利。

产品介绍

Emerald 67M CMOS图像传感器采用基于65nm的全新2.5µm全局快门像素技术，8k*8k分辨率，且全尺寸10bit输出帧率高达 65fps 。传感器尺寸APS-C画幅，该领域最高分辨率的全局快门CMOS传感器。现有的37x42mm µPGA封装亦带来更优的热效率和更好的平整度。

Emerald 67M具有出色的光电性能，低至3e-的读出噪声、高达70%的QE、宽角度响应和66dB动态范围，即使低亮度环境也能拥有出色的画质。

Emerald 67M的设计，旨在为下一代高端系统开发应用提供差异化的解决方案。

Emerald 67M 封装图

主要性能

Emerald 67M主要性能：

      *8K*8k分辨率 (8192 x 8192 像素阵列);

      *形尺寸适用于工业应用，通过裁减可输出其他尺寸；

      *上下两个Tap的结构，全分辨率10bit输出高达65fps，数据传输速率43.6Gbps；

      *相关二次采样和低噪声ADC架构，实现低至3e-的读出噪声和66dB的动态范围；

      *全局快门；

      *70% QE、 ±15°宽角度响应和出色的1/10,000 快门效率，更有效采集光子；

      *APS-C 画幅；

      *实时高动态范围嵌入式功能，相较于使用线性模式进行长时间曝光以取得HDR图像的产品，这一功能不会造成帧率丢失。

实时 HDR 连续长曝光和短曝光的功能示意图

Teledyne e2v实时HDR 功能的益处

多重取景窗口(Multi-ROI) 嵌入式功能：支持最多四个连续取景窗口，并能独立的控制各窗口的曝光增益、曝光时间和窗口大小。有利于产品检测或交通管制系统等应用领域。

Emerald 67M多重ROI模式工作示意图

创新点

01、全球最小的全局快门像素

基于TowerJazz 公司的65nm工艺技术，Emerald 67M成为APS-C领域最高分辨率的全局快门CMOS传感器。其采用8T共享像素架构（两个像素共享8个晶体管），能达到6T像素架构的同样的性能。基于此设计，Emerald 67M同时拥有低至3e-的读出噪声和70%的QE。电子结构如下图：

Emerald 67M 创新2.5µm像素电路结构图

凭借先进的堆栈结构，芯片的敏感度也得以提升。像素点独特的 “dual light-pipe”架构，能通过微光纤把光线直接导入光电二级管。

02、创新读出架构

Emerald 67M具有创新的双Tap结构，上下像素阵列能通过各自的读取通道和LVDS端口读出。读出模块可并行处理，每一像素列由一个读出通道处理。所有通道均同时工作，并同时对整行像素的模拟数据作出调配和数字化。

模拟和数字编程可以全局方式控制，而数字区块可以在每个对应输出分别进行编程。这样的好处是允许在每个对应输出作出不同的设定。这一双Tap的原理相当于每列有两个ADC，使得Emerald 67M能够在全分辨率10bit下实现65fps ，接近44Gbps的数据传输速率。 

这一创新架构的最大技术挑战，在于如何避免顶部和底部读出的不匹配导致图像中间衔接处亮度不平滑。Emerald 67M 集成了片上固定图像噪声垂直补偿功能，可以补偿读出通道之间的不匹配，从而解决这一难题。

应用领域和场景

Emerald 67M主要设计用于显示器和高端电子的检测应用；卫星平台、飞行器和航空摄影成像系统，提供的航空图像数据帮助矿藏探测、水污染监测以及农作物状态监控等，可以在全球资源管理和环保方面发挥重要作用；甚至对公共卫生领域的硬质内窥镜等医疗场景也适用。

显示器检测应用

在显示器检测应用中， Emerald 67M 最适用于被称为“阵列测试”的关键步骤，在这一程序中，达10平方米的巨大玻璃基底将以亚微米的精度进行检测，以找出每一个有机会妨害生产工作的潜在瑕疵(如短路、开路等)。这一特定的检测步骤对图像传感器的性能有极高的要求：全局快门支持多光场成像、极低暗电流实现长曝光时间、低噪声保证低照下仍能分辨出面板上不良像素的每一微小亮度转变。Emerald 67M也可以用于其他应用，例如是电池检测等。

高端电子的检测应用

Emerald 67M也极适合印刷电路板和其它高端检测应用。它的高分辨率有利于保持原有精度水平上涵盖更广阔的视角，减小检测系统在每块电路板上的动作幅度，从而降低系统振动，且以最小的检测路径实现最优化的检测结果。Emerald 67M的高帧率也有利于提高检测系统的效率。

航空图像数据采集

卫星平台、飞行器和航空摄影成像系统提供的航空图像数据帮助矿藏探测、水污染监测以及农作物状态监控等应用，在全球资源管理和环保方面发挥重要作用。Emerald 67M 紧凑设计，低功耗和高灵敏度等性能，为下一代航空和陆地拍摄平台提供极大优势。Emerald 67M结合多光谱成像技术将实现更高精度的地球观测 (取代目前的10m² 分辨率，达到cm² 级)，帮助解决人类的一些最大挑战：改进农作物产量为更多人提供足够粮食，从旧的矿洞和油井中找出更多资源，管理环境对人类的影响。

公共卫生医疗场景应用

Emerald 67M 对公共卫生也有重要贡献。Emerald 67M 的 8K x8k分辨率有助于新一代8K 硬质内窥镜的研发，提供更高精度的细胞图像。这一精度的改进将使人类获益，包括及早发现癌症而及时获得治疗，并以更精准的癌细胞定位避免了不必要的大范围割除。它的全局快门技术是用于频闪，比如声带分析的必需技术，能够减少电子外科手术仪器产生的伪影。

价格优势

Emerald 67M面向高分辨率需求的高端市场，从价格/分辨率比例来看， Emerald 67M是市场上最具性价比高分辨率全局快门传感器。另外，参考它的价格定位，即便与低分辨率传感器相比，它的竞争力仍不逊色。从价格角度来看， Emerald 67M是极具竞争力的产品。

Teledyne e2v在这个传感器开发的整个过程中都把价格作为考虑因素，从而成功生产出这一非常具竞争力的产品。晶圆是CMOS传感器成本的重要部分，而为降低这部分的相关成本，Emerald 67M的设计采用了一些技巧，提高了生产良率。 

除了传感器价格，系统总成本也是Emerald 67M 的设计考虑因素。这款传感器符合标准APS-C光学格式，比大尺寸的F口或35mm的镜头更便宜，从而可以在镜头方面节省成本。另外， Emerald 67M具有非常低的时域噪声，有助于减小亮度需求，节省照明成本，同时还保持高动态范围水平。

随着主要制造品牌8K显示器逐渐进入创新展览和电子商店，推动了市场对相同分辨率内容的需求。Emerald 67M 的8K分辨率和无模糊化图像的特点，助力新一代8K娱乐和广播制作。它的全局快门技术和高帧率能够满足完美流畅图像捕捉的要求，在不断增长的3D动画电影运动捕捉市场中起到至关重要作用。

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