初めに

Teledyne e2vのイメージセンサーは、汎用・高性能な産業用イメージセンサーとして、ご好評をいただいております。

イメージセンサーから、jpgやmp4などの画像データを出力する一連のハードウエアを、カメラモジュールと呼びます。カメラモジュールの作製には、レンズなどの光学部品や、画像処理プロセッサー、各種のコントローラーやインターフェースなどのハードウエア設計と、ファームウエアなどソフトウエアの適切な実装が必要です。
産業用カメラモジュールには目的に応じた開発が不可欠ですが、開発工数は増加の一途であり、当初から汎用カメラモジュールのご要望を頂くケースも増えています。そこで、今回、ミニマルなユースケースとして、VGAサイズのTe2vイメージセンサーを用いたUVCカメラモジュールを作製しました。

本稿では、イメージセンサーをモジュール化する際の手順と、その応用例について紹介します。

 

イメージセンサの概要

イメージセンサーの本体は、専用のプロセスで製造されたSiダイです。他のLSIと異なるのは、通常のICではSiダイはパッケージ内部に封入されますが、イメージセンサーは光を取り込むため、ダイを直接目視できる構造になっています。
イメージセンサーのパッケージには幾つかの種類があります。例えば、今回使用したTeledyne e2v Sapphire WVGAでは、リッドガラスつきのCLCC (Ceramic Leadless Chip Carrier) と、簡易的なWLCSP (Wafer Level Chip Size Package) の2種をお選びいただけます。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

図1 イメージセンサーのパッケージ例（左：CLCC　右：WLCSP）

 

イメージセンサーの代表的なピン構成は、以下のようなものです。

まず、これらのピンに、適切な配線/接続を行うことで、イメージセンサー基板を作製します。

※ Sapphire WVGAの概要はメーカーサイトをご参照下さい。⇒こちら
※ より詳細は、ページ下部のお問い合わせフォームより、お問い合わせください。

 

イメージセンサーの基板化

 

 

 

 

 

 

 

図2 イメージセンサー周辺回路リファレンスデザイン例

 

イメージセンサーの周辺回路のリファレンスデザインは、Teledyne e2vから公開されています。電源周りのパスコンや、ADCゲイン調整用の抵抗といった周辺素子が、具体的なスペックと共に示されています。これに従って、基板への実装を行うことで、イメージセンサーを安定的に動作させることができます。

イメージセンサーに特徴的な基板設計の手順として、光学設計があります。通常の電子基板は、光の入射にさらされたり、光学部品が直接マウントされたりすることは稀ですが、イメージセンサー基板の場合は、設計の当初から、これらを考慮しておくことが必要です。 まず、撮像物の距離や大きさと、イメージセンサーのサイズから、焦点距離やF値などのレンズのスペックが決まります。市販の光学部品から、それに応じたレンズを選ぶと、付随するレンズマウント/ホルダーなどの寸法も決まります。レンズとイメージセンサーの中心線を合致させてレンズマウントを配置すれば、基板上のフットプリントがわかりますので、パスコンや抵抗などの周辺素子を、これを避けて配置します。この際、周囲の環境光の入射はもとより、基板に実装されたLEDの発光や、電子部品の表面での光の反射などの悪影響を避けるよう、レンズホルダーの遮光にも注意が必要です。

 

 

 

 

 

図3 イメージセンサーとレンズホルダーの配置の例

イメージセンサーの出力

イメージセンサーを基板に実装することで、出力をモニターできるようになります。
イメージセンサーの出力仕様を、今回使用のTeledyne e2v Sapphire WVGAを例に説明します。

 

 

 

 

 

 

 

 

図4 イメージセンサー上のpixel配置例

 

イメージセンサーのセンシングの単位回路をpixelと呼びます。カラーセンサーでは、検知用pixelはRGBベイヤーフィルタと共に配置され、周囲部をダミーpixelで囲われています。Sapphire WVGAの画素数は、752×480で、上図のように配置されています。
イメージセンサーは、各pixelで検知した輝度の値を、順番に出力します。
Sapphire WVGAの輝度出力は、以下のピンで構成されます。
FEN：フレームイネーブル
LEN：ラインイネーブル
DATA<9:0>：輝度データ（10bitバス）

輝度データの出力刻みは、最大でバス幅と同じ10bit（1024段階）です。

次に、イメージセンサーの出力を、波形に従って説明します。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

図5 イメージセンサーの画像データ出力フォーマット/タイミング

 

イメージセンサーは、露光、読み出し、待機（Wait時間、ない場合もあります）の動作を繰り返します。
イメージセンサーの出力は、読み出しの期間に行われますが、その期間は、フレームイネーブル信号で示されます。上図では、FEN＝Lの期間が、フレームイネーブルです。
各フレームイネーブルの間に、各ラインのデータ出力期間を示すラインイネーブルが遷移します。上図では、LEN=Lがラインイネーブルです。ラインイネーブルは、フレーム期間内に、検出を行うpixelアレイの行と同じ回数、遷移します。
そして、各ラインイネーブル期間に、イメージセンサーのデータが順番に出力されます。出力は、クロック信号に同期して、検出を行うpixelアレイの列と同じ回数、行われます。

以上の動作を繰り返すことで、各フレームの輝度データが、ひとまとめに出力されます。
出力されたデータは、クロック信号を同期したISP（後述）に供されます。pixelの位置情報は、FENやLENに同期して識別されます。

※ データの出力仕様は、イメージセンサーにより異なります。詳細は、ご使用のイメージセンサーのデータシートをご確認下さい。
※ センサー入力（各種設定など）の詳細は煩雑なので、本稿では説明を割愛します。