電子發燒友網報道（文/周凱揚）在工業自動化進程的持續推動下，行業技術已經開始朝著智能化、高度集成化和數字化的方向發展了，尤其是工業視覺技術。為了滿足這三大要求，工業視覺必須從圖像獲取、處理以及理解上都做到更高的精度，其中處理和理解通過如今的邊緣處理器和機器視覺算法，已經滿足了精度要求。至于圖像獲取的精度，則仍與視覺傳感器息息相關。

所以在工業視覺傳感器領域，無論是傳統的CMOS圖像傳感器，還是開始被廣泛應用的激光雷達，都開始朝著高精度、高速率的方向發展。而高速率這塊的技術路線我們基本都已經知曉了，比如CMOS圖像傳感器追求全局快門，固態和機械激光雷達都開始追求更快的掃描速度。為了實現更高的精度，圖像傳感器和激光雷達也在不斷推出芯片，從設計上尋求創新。

圖像傳感器－高靈敏度與高像素

與車規圖像傳感器不同，工業場景下的CMOS往往沒有動輒120dB高動態范圍，或LED頻閃抑制這一類的需求，反倒是全局快門帶來的高速特性常被視為首要要求。但為了進一步提升工業自動化的效率，同時也提高生產良率，工業圖像傳感器還是有著不少其他參數上的要求。

相對汽車的大光比戶外環境，工業場景絕大多數位于室內，所以這才沒有較高的動態范圍要求。可室內環境通常沒有實現理想的光源全覆蓋，這就需要圖像傳感器的靈敏度越高越好。而相對于我們常見的彩色圖像傳感器來說，黑白與單色圖像傳感器在靈敏度的性能往往會更好，從而擁有更加優秀的弱光精度表現。

除了這一優勢外，在分辨率相同的情況下，黑白版本的圖像傳感器在檢測圖像邊緣這樣的任務上效果更好，同時由于舍棄了顏色信息，讀取速度可以進一步提高，對于工業線陣相機的檢測效率來說有著明顯的提高。
思特威就在去年推出了他們的首款線陣CMOS圖像傳感器SC430LA，并采用了背照式和全局快門的設計方案，實現了4K的分辨率。思特威的SC430LA就分為黑白和彩色兩個版本，其中黑白版本還有1線、2線和3線3種工作模式，1線模式下可以達到200kHz的行頻。而如果是在全彩成像的工業視覺應用中，SC430LA的彩色版本也支持傳統的Bilinear和先進的Trilinear模式，后者可以保留更多的色彩信息，提供更好的圖像品質，滿足高精度工業視覺傳感器的需求。

我們在工業視覺場景中其實看到超高像素的圖像傳感器不多，這是因為在不少場景中，精度和速度并非可以兼得的兩大參數。而過去的不少應用場景，由于圖像處理和理解技術所限，高精度并非第一要義。

可為了追求更高的精度，尤其是在長距離識別和大規模物體識別的應用中，其實高分辨率還是一個繞不開的話題。至于如何在保證實現更高分辨率的基礎上，維持一個較高的速率，才是解決問題的關鍵。

Teledyne給出了一個分辨率與速度兼并的答案，那就是具備6700萬像素的Emerald 67M。如此高的像素量已經完整覆蓋了8K的分辨率，可以隨意通過ROI特性來在單張高分辨率圖像中捕捉到更多的物體。可如此大的數據量通常意味著讀出速度會面臨著巨大的考驗，但Teledyne的Emerald 67M依舊實現了超高的性能。
Emerald 67M分為高速版和超高速版，其中超高速版可以在10bit輸出下實現65fps的超高幀率，讀出噪聲卻只有2.5e-，500nm下的量子效率做到了66%。要知道超高像素的傳感器往往在靈敏度上往往是處于劣勢的，Emerald 67M在提供6700萬像素的同時，依舊保留了供工業視覺應用的高靈敏度和高速特性。

激光雷達－新架構和高線數

一眾固態雷達中，在提升激光雷達精度的方法上最為特殊的可能是Ouster的數字激光雷達。Ouster采用了半導體化設計的方式，將光電器件全部集成到了芯片之中，并通過芯片工藝和設計來提高激光雷達精度。例如他們基于40nm工藝打造的L2和L2X芯片，以及使用全新工藝打造的L3芯片。
從2017年的L1芯片到2019年的L2芯片，Ouster將其激光雷達芯片的工藝從130nm升級至40nm，把激光雷達的分辨率從64線提高至128線。如今REV7系列數字激光雷達所用的L3芯片，已經做到了單芯片1.25億的晶體管數量和520萬的點頻速度。

如此高的集成度也讓Ouster可以在可靠性上更進一步，比如做到IP68乃至IP69K的防護等級，也比其他機械激光雷達更容易解決沖擊與振動帶來的干擾，更適合復雜的工業場景，為AMR等工業機器提供更高的安全性，并減少停機時間。

從Ouster的例子來看，他們通過提高數字激光雷達芯片的集成度來實現更高的線數。在激光雷達領域，往往線數決定了角分辨率，也就決定了精度，所以128線數以上的激光雷達一般都被稱為高清激光雷達。


光秒科技在去年推出了首款1024線的超高清混合固態激光雷達，GM1024。其中GM1024-A更是可以實現1024*1024線數和20Hz的頻率，在120°的水平視場角上做到0.088°的角分辨率，在25°的垂直視場角上做到0.024°的角分辨率。再加上GM1024本身采用過的是1550nm的波長，如此高的分辨率可以在遠距離探測對象上實現前所未有的精度。
雖然該激光雷達集成了100Base-T1車載以太網接口，但其IP67防水防塵的物理設計以及額外的TpyeC、HDMI與1/4螺紋接口，意味著其同樣可以面向工業自動化目標識別與抓取。擁有如此高的精度，GM1024無疑可以靈活運用在不同的工業場景內。例如長距離的作業環境中，GM1024可以在遠處就完成對象的識別，解決了因為工業場景中高速流水線帶來的感知滯后問題。

寫在最后

隨著半導體產業朝著更先進的工藝發展，工業視覺傳感器的高精度勢必會成為與高速并列的重要需求，尤其是在芯片封裝檢測之類的高精密工作場景中。圖像傳感器也在緩慢地推進自身制造工藝，所以速度與精度兩手抓也是一個良性循環，在保證高生產效率的同時，仍然能夠提供讓人眼前一亮的性能。

雖然如今不少激光雷達廠商都在追求車規級量產，但依賴單一市場對于產品而言存在不少的風險。Ouster等機械激光雷達廠商在這方面就做得要更好一些，從Ouster上季度的財報來看，其營收占比中38%來自工業領域，37%來自機器人領域。雖然機械激光雷達上車進度不佳，但對于工業視覺領域仍是一個吃香的選擇，況且不少激光雷達廠商都開始多技術路線布局。相信如果更多的激光雷達廠商入局工業視覺的話，其成本和精度會再度迎來優化。