Verlichting aan de achterkant wordt snel

Met snelheden van meer dan 1 miljoen frames per seconde is high-speed imaging een onschatbare onderzoekstool die in staat is om de meest vluchtige gebeurtenissen in wetenschappelijke en technische toepassingen vast te leggen. Maar het bereiken van deze snelheid gaat gepaard met touwtjes. De meeste hogesnelheidscamera's zijn ontworpen om een ​​maximale doorvoer van gigapixels/seconde (Gpx/sec) te bereiken, aangeboden in een afweging tussen framesnelheid en resolutie. Een camera van 25 Gpx/sec haalt bijvoorbeeld 25.700 frames per seconde (fps) bij een resolutie van 1280 × 800 pixels en kan een hogere framesnelheid van 28.500 halen bij een kleinere resolutie van 1280 × 720. Beide combinaties hebben bijna dezelfde doorvoer . Zeer hoge framesnelheden, zoals 1 miljoen fps, gaan gepaard met zeer kleine resoluties, waardoor het moeilijker wordt om het onderwerp te zien.

Naarmate de framesnelheden toenemen, neemt de belichtingstijd van een pixel aan licht af. Bij 25.700 fps heeft elk frame een maximale belichting van 39 microseconden (µs) en bij 1 miljoen fps is de maximale belichtingstijd slechts 733 nanoseconden (ns). De korte belichtingstijden vereisen een hoge mate van verlichting om te compenseren voor de korte tijd dat de pixel licht ontvangt. Veel toepassingen met hoge snelheid zijn zelfs lichtarm, wat betekent dat, gezien de zeer korte belichtingstijden bij hoge framesnelheden, de beschikbare verlichting niet genoeg licht zal leveren aan de beeldsensor van de camera om een ​​ideaal beeld te produceren en zelfs onpraktisch kan zijn in bepaalde toepassingen.

Bedieners van hogesnelheidscamera's zijn bedreven geworden in het balanceren van hun behoefte aan snelheid en resolutie met hun behoefte aan adequate verlichting. Ze zijn in staat om spectaculaire beelden vast te leggen die de grenzen van wetenschappelijk inzicht en technische analyse verleggen, maar de afwegingen worden moeilijker te beheren naarmate gebruikers de grenzen van high-speed imaging verleggen.

Onlangs is er een technische doorbraak gemaakt die de snelheid-resolutie-gevoeligheidsbeperking versoepelt. Er is een nieuwe high-speed beeldsensor ontwikkeld die gebruik maakt van backside lighting (BSI) om het pixeloppervlak dat fotonen kan vastleggen te vergroten. Omdat hij effectiever is in het vastleggen van licht, is de BSI-sensor beter geschikt voor toepassingen die hoge framesnelheden vereisen. In deze camera is de doorvoer - maximale framesnelheid maal maximale frameresolutie - met een factor drie keer verhoogd in vergelijking met eerdere generaties high-speed CMOS-beeldsensoren. De nieuwe sensor debuteerde maart 2021 in de nieuwe Phantom TMX-camera's, waarvan de snelste 76.000 fps kan opnemen met een volledige resolutie van 1280 × 800 pixels.

BSI naar snelle toepassingen brengen

Tot nu toe waren de CMOS-sensoren die in hogesnelheidscamera's worden gebruikt, gebaseerd op frontside verlichte (FSI) architecturen, waarbij het metalen circuit van de sensor boven de fotodiodes van de pixels naar de lichtbron is gericht. Deze metalen schakeling voorkomt dat invallend licht de pixels bereikt, wat op zijn beurt de vulfactor beïnvloedt en de gevoeligheid van de sensor vermindert.

BSI-sensoren zijn ontworpen met een dikke dragerwafer die aan de bovenkant van de metalen stapel is bevestigd. Door deze opstelling kan het bulksilicium worden verdund en omgedraaid om de diodes bloot te leggen die naar de lichtbron en het metalen oppervlak erachter zijn gericht. Er zijn twee belangrijke voordelen voor BSI-sensoren bij hoge snelheid:verbeterde vulfactor, door een directe route te bieden voor licht om het lichtontvangende oppervlak te bereiken (zie afbeelding 1), en verbeterde verwerkingssnelheid, door meer metaal toe te voegen aan het metaal van de sensor oppervlak.

• Verbeterde vulfactor: Deze effectiviteit bij het vastleggen van invallend licht wordt uitgedrukt in termen van de vulfactor van de sensor - of het percentage van het pixeloppervlak dat fotonen kan vastleggen. Met zijn metalen circuit dat een deel van het licht blokkeert of reflecteert, heeft een typische FSI-sensor die wordt gebruikt in high-speed beeldvorming een vulfactor tussen 50 en 60%, gedeeltelijk gecompenseerd door een microlens in typische huidige FSI-sensoren. Door het circuit uit de weg te ruimen, heeft deze nieuwe BSI-sensor een vulfactor van bijna 100%.

• Verhoogde verwerkingssnelheid: De basissnelheid van de pixelarray wordt beperkt door tijdconstanten van de weerstand-condensator (RC), en het toevoegen van metaal vermindert de weerstand en verhoogt de snelheid. In FSI-sensoren is de hoeveelheid metaal aan de voorkant van de sensor beperkt om licht de fotodiodes te laten bereiken. Deze beperking leidt tot overhead in de verwerkingssnelheid. Naarmate framesnelheden toenemen en resoluties afnemen, kan de camera geen maximale Gpx/sec-doorvoer leveren vanwege verliezen aan overhead. BSI-sensoren hebben deze beperking niet en kunnen aanzienlijk meer metalen circuits hebben, waardoor de overhead aanzienlijk wordt verminderd of zelfs geëlimineerd. Dankzij deze mogelijkheid kan een BSI-sensor zijn maximale Gpx/sec-doorvoer behouden, zelfs bij combinaties met een zeer hoge framesnelheid/lage resolutie.

BSI-sensoren zijn al meer dan 10 jaar beschikbaar in een verscheidenheid aan mobiele telefoons en standaard digitale camera's. Ze bieden bewezen voordelen als het gaat om het verbeteren van de prestaties bij weinig licht en het dynamisch bereik van deze consumentgerichte camera's. Waarom duurde het zo lang om deze sensoren naar high-speed beeldvorming te brengen? Kortom, maat.

De sensoren en pixels die in hogesnelheidscamera's worden gebruikt, zijn veel groter dan standaardcamera's om de compromissen tussen snelheid, resolutie en gevoeligheid te minimaliseren. Terwijl de camera van een mobiele telefoon bijvoorbeeld een pixel kan hebben die minder dan 2 µm per zijde meet, zijn de pixels op deze nieuwe beeldsensor doorgaans meer dan 6 µm en wel 28 µm per zijde.

Het fabricageproces voor BSI-sensoren is inherent moeilijker dan vergelijkbare FSI-sensoren en vereist extra fabricagestappen. Onder hen is een terugdunningsstap om het bulksilicium te verwijderen, waardoor de fotodiodes dichter bij de lichtbron komen. Er zijn ook aanvullende bewerkingsstappen aan de achterkant van de wafer om het oppervlak te gloeien en elektrische contacten aan de voorkant te verschaffen. De grootte van snelle beeldsensoren verergert de fabricageproblemen alleen maar. De realiteit van de halfgeleidereconomie maakte het ook moeilijk om de technologie over te dragen van de hoge productievolumes van standaardcamera's naar de relatief lage volumes van snelle beeldsensoren. Het kostte tijd om het productieproces te perfectioneren en praktische opbrengsten te behalen.

De BSI-beeldsensor is het wachten waard geweest. Het stelt nieuwe normen voor:

• Snelheid. De eerste camera die de sensor gebruikt, legt beelden vast met 76.000 fps bij een volledige resolutie van 1 megapixel (1280 × 800) en kan snelheden bereiken die meer dan een orde van grootte sneller zijn bij lagere resoluties en met binning. De camera komt bijvoorbeeld uit op 1,75 miljoen fps met een resolutie van 1280 × 32 en 640 × 64 pixels weggegooid. Historisch gezien waren de resoluties die werden geassocieerd met framesnelheden van meer dan 1 miljoen fps te laag voor bijna alle wetenschappelijke toepassingen, maar 1280 × 32 vertegenwoordigt een echt bruikbare resolutie in een breed scala aan toepassingen.

• Blootstellingstijden. De nieuwe sensor ondersteunt minimale belichtingstijden tot 95 ns met Export Controlled FAST-optie. De snelle belichtingstijden maken het mogelijk om steeds snellere gebeurtenissen vast te leggen zonder bewegingsonscherpte, wat een beperkende factor kan zijn bij het verkrijgen van hoogwaardige beelden in toepassingen die zo breed zijn als cytometrie en verbrandingsanalyse.

• Pixelgrootte. Om in lichtarme omstandigheden te werken, hebben hogesnelheidscamera's in het verleden zeer grote pixelgroottes gebruikt om zoveel mogelijk fotonen te vangen. Onze bestaande FSI ultrasnelle sensor heeft bijvoorbeeld een pixelgrootte van 28 µm per zijde voor een oppervlakte van 784 µm ² . De nieuwe BSI-beeldsensor met hoge snelheid heeft een pixel van 18,5 µm per zijde, maar door zijn bekwaamheid in het vastleggen van licht is hij ongeveer net zo gevoelig met drie keer de snelheid als eerdere FSI-sensoren met pixels van 28 µm. Kleinere pixels verbeteren ook de bemonsteringsfrequentie (Nyquist), waardoor de sensor hogere ruimtelijke frequenties van lp/mm kan oplossen voordat aliasing plaatsvindt. Deze mogelijkheid verbetert de prestaties van het beeldvormingssysteem op het gebied van flowcytometrie, deeltjesbeeldsnelheidsmeting (PIV), digitale beeldcorrelatie (DIC) en andere snelle toepassingen die worden beperkt door het oplossend vermogen van de sensor.

Buiten BSI

De prestatiedoorbraken in verband met het nieuwe ontwerp van de beeldsensor berusten voornamelijk op de BSI-architectuur, maar er is meer aan de hand. De nieuwe sensor heeft ook een aantal ontwerpkenmerken die de prestaties verbeteren die BSI alleen zou kunnen bereiken, vooral met betrekking tot de mogelijkheid om de enorme hoeveelheden beeldgegevens met hoge snelheden uit te lezen en de doorvoer te verbeteren.

Het oplossen van analoog-naar-digitaal conversie-uitdagingen. Het inbedden van analoog-naar-digitaalomzetters (ADC) op CMOS-beeldsensoren is standaard, maar de snelheid van de BSI-sensor vereiste een enorme toename van de hoeveelheid ADC. Terwijl moderne CMOS-beeldsensoren doorgaans tussen de 1.000 en 10.000 ingebouwde ADC hebben, heeft de nieuwe BSI hogesnelheidssensor 40.000 ADC, die elke 523 ns omzetten en een grote hoeveelheid gegevens genereren om van de sensor te ontlasten. Om deze taak te volbrengen, bevat het 160 high-speed seriële uitgangen die werken op meer dan 5 Gbps. Deze technologie is gebruikelijk op CPU's en FPGA's, maar nieuw op een snelle beeldsensor.

De dichtheid van ADC op de nieuwe sensor zorgde wel voor uitdagingen op het gebied van energiebeheer en elektrische overspraak, die werden opgelost met de hulp van onze ontwerp- en geïntegreerde productiepartner, Forza Silicon. Hoewel simulaties vaak worden gebruikt bij het voorspellen van sensorprestaties, moest deze sensor wekenlang rekenen om een ​​voorspelling te kunnen doen.

Forza heeft veel ervaring met het vereenvoudigen van simulaties en het analyseren van werkelijke versus voorspelde resultaten voor snelle ontwerpaanpassingen. In het geval van de BSI-sensor onthulde het testen van vroege ontwerpen een hoger niveau van ADC-overspraak in zowel normale beeldvormings- als binning-modi dan onze simulatietools hadden voorspeld, wat merkbare artefacten in de afbeeldingen veroorzaakte. De technici van Forza ontdekten dat de overspraak voorspelbare patronen vertoonde en ontwikkelden modelleringstechnieken die hielpen de overspraak helemaal te elimineren, wat op zijn beurt beeldartefacten verminderde.

Binning voor maximale doorvoer. De sensor ondersteunt 2 × 2 binning om de doorvoer bij hogere snelheden te maximaliseren. Hoewel dit niet gebruikelijk is bij hogesnelheidssensoren, hebben we binning geïmplementeerd in twee eerdere camera's. Het helpt de beperkingen van de kolom-ADC-architectuur van de sensor te verminderen, waardoor hogere snelheden mogelijk zijn dan alleen het verkleinen van de y-dimensie. Deze aanpak is subtiel anders dan binning zoals toegepast in CCD-camera's, waar het voornamelijk wordt gebruikt om de gevoeligheid te verhogen. In dit geval werd het gebruikt om de snelheid te verhogen.

BSI-verschil

BSI is geen nieuwe technologie en wordt met groot succes gebruikt in standaardcamera's en camera's voor mobiele telefoons. Door deze aan te passen aan snelle beeldvorming, is een sensor gecreëerd die de grenzen verlegt op het gebied van snelheid in omstandigheden met weinig licht.

Dit artikel is geschreven door Radu Corlan, Chief Scientist, en Kevin Gann, Division VP of R&D, Vision Research (Wayne, NJ); en Loc Truong, VP Engineering, Forza Silicon (Pasadena, CA). Neem voor meer informatie contact op met de heer Gann via Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien., of bezoek hier .