Snelle Backside Illuminatie: Meer dan 1 Miljoen Frames per Seconde Vasten

Met snelheden van meer dan 1 miljoen frames per seconde is high-speed imaging een onmisbaar onderzoeksinstrument dat in staat is de meest vluchtige gebeurtenissen in wetenschappelijke en technische toepassingen vast te leggen. Het bereiken van deze snelheid gaat echter gepaard met beperkingen. De meeste high-speed cameras zijn ontworpen om een maximale gigapixel-per-seconde (Gpx/sec) doorvoersnelheid te bereiken, aangeboden als een afweging tussen frame rate en resolutie. Een camera van 25 Gpx/sec bereikt bijvoorbeeld 25.700 frames per seconde (fps) bij een resolutie van 1280 × 800 pixels en kan een hogere frame rate van 28.500 bereiken bij een kleinere resolutie van 1280 × 720. Beide combinaties hebben bijna dezelfde doorvoersnelheid. Zeer hoge frame rates zoals 1 miljoen fps gaan gepaard met zeer kleine resoluties, wat het lastiger maakt om het onderwerp te zien.

Belichtingstijd en Verlichtingsuitdagingen

Naarmate de frame rates stijgen, daalt de belichtingstijd die een pixel heeft om licht op te vangen. 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). Deze korte belichtingstijden vereisen hoge verlichtingsniveaus om te compenseren voor de korte tijd dat de pixel licht ontvangt. Feitelijk zijn veel high-speed toepassingen 'lichtgehungerd', wat betekent dat de beschikbare verlichting niet voldoende licht levert aan de beeldsensor van de camera om een ideaal beeld te produceren en zelfs onpraktisch kan zijn in bepaalde toepassingen.

Operators van high-speed cameras zijn uitgegroeid tot experts in het balanceren van hun behoefte aan snelheid en resolutie met voldoende verlichting. Ze kunnen spectaculaire beelden vastleggen die de grenzen van wetenschappelijke inzicht en technische analyse verleggen, maar de afwegingen worden moeilijker te managen naarmate gebruikers de grenzen van high-speed imaging opzoeken.

Doorbraak: Backside Illumination (BSI) voor High-Speed Toepassingen

Onlangs is een technische doorbraak geboekt die de snelheid-resolutie-gevoeligheidsbeperking verlicht. Er is een nieuwe high-speed beeldsensor ontwikkeld die backside illumination (BSI) gebruikt om het pixeloppervlak dat fotonen kan vangen te vergroten. Omdat het effectiever licht vangt, is de BSI-sensor beter geschikt voor toepassingen die hoge frame rates vereisen. In deze camera is de doorvoersnelheid — maximale frame rate keer maximale frame resolutie — met een factor drie toegenomen vergeleken met eerdere generaties high-speed CMOS beeldsensoren. De nieuwe sensor werd in maart 2021 gelanceerd in de nieuwe Phantom TMX-camera's, de snelste van welke 76.000 fps kan schieten bij een volledige resolutie van 1280 × 800 pixels.

BSI naar High-Speed Toepassingen Brengen

Tot nu toe waren de CMOS-sensoren die in high-speed cameras worden gebruikt, gebaseerd op frontside illuminated (FSI) architecturen, waarbij de metalen schakelingen van de sensor boven de fotodiodes van de pixels zich in de richting van de lichtbron bevinden. Deze metalen schakelingen verhinderen dat een deel van het invallende licht de pixels bereikt, wat de vulfactor beïnvloedt en de gevoeligheid van de sensor vermindert.

BSI-sensoren zijn ontworpen met een dikke carrier wafer die aan de bovenkant van de metalen stack is bevestigd. Deze rangschikking stelt het bulksilicium in staat om gedund en omgekeerd te worden, waardoor de diodes naar de lichtbron worden gekeerd en het metalen oppervlak erachter. Er zijn twee significante voordelen van BSI-sensoren in high-speed: verbeterde vulfactor, door een direct pad voor licht om het lichtontvangende oppervlak te bereiken (zie Figuur 1), en verbeterde verwerkingssnelheid, door meer metaal toe te voegen aan het metalen oppervlak van de sensor.

• Verbeterde vulfactor: Deze effectiviteit bij het vangen van invallend licht wordt uitgedrukt in termen van de vulfactor van de sensor — het percentage van het pixeloppervlak dat in staat is fotonen te vangen. Met zijn metalen schakelingen die een deel van het licht blokkeren of reflecteren, zal een typische FSI-sensor die in high-speed imaging wordt gebruikt, een vulfactor tussen 50 en 60% hebben, deels gecompenseerd door een microlens in typische huidige FSI-sensoren. Door de schakelingen uit de weg te ruimen, heeft deze nieuwe BSI-sensor een vulfactor van bijna 100%.

• Verhoogde verwerkingssnelheid: De basisnelheid van de pixelarray wordt beperkt door weerstand-condensator (RC) tijdconstanten, en het toevoegen van metaal verlaagt de weerstand en verhoogt de snelheid. Bij 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 frame rates stijgen en resoluties dalen, kan de camera de maximale Gpx/sec doorvoersnelheid niet leveren vanwege verlies door overhead. BSI-sensoren hebben deze beperking niet en kunnen aanzienlijk meer metalen schakelingen hebben, wat de overhead aanzienlijk reduceert of zelfs elimineert. Deze mogelijkheid stelt een BSI-sensor in staat om zijn maximale Gpx/sec doorvoersnelheid te behouden zelfs bij zeer hoge frame rate/lage resolutie combinaties.

Waarom Duurde Het Zo Lang Voordat BSI Naar High-Speed Imaging Kwam?

BSI-sensoren zijn al meer dan 10 jaar beschikbaar in diverse mobiele telefoons en standaard digitale cameras. Ze boden bewijsbare voordelen bij het verbeteren van lage-lichtprestaties en dynamisch bereik van deze consumentengerichte cameras. Waarom duurde het zo lang om deze sensoren naar high-speed imaging te brengen? In één woord: grootte.

De sensoren en pixels die in high-speed cameras worden gebruikt, zijn veel groter dan die in standaard cameras om snelheid-resolutie-gevoeligheidsafwegingen te minimaliseren. Terwijl een mobiele telefoon camera een pixel kan hebben van minder dan 2 µm per zijde, zijn pixels op deze nieuwe beeldsensor typisch meer dan 6 µm en tot 28 µm per zijde.

Het productieproces voor BSI-sensoren is inherent moeilijker dan voor vergelijkbare FSI-sensoren en vereist extra productiestappen. Daaronder valt een wafer backthinning-stap om het bulksilicium te verwijderen, waardoor de fotodiodes dichter bij de lichtbron komen. Er zijn ook extra verwerkingsstappen aan de achterkant van de wafer om het oppervlak te annealen en elektrische contacten naar de voorkant te bieden. De grootte van high-speed beeldsensoren verergeren de productiemoeilijkheden. De realiteiten van de semiconductoreconomie maakten het ook moeilijk om de technologie van de hoge productievolumes van standaard cameras over te dragen naar de relatief lage volumes van high-speed imaging sensoren. Het kostte tijd om het productieproces te perfectioneren en praktische opbrengsten te bereiken.

BSI Beeldsensor Stelt Nieuwe Standaarden

De BSI beeldsensor was de wacht waard. Het stelt nieuwe standaarden voor:

• Snelheid. De eerste camera die de sensor gebruikt, neemt beelden op met 76.000 fps bij volledige 1-megapixel (1280 × 800) resolutie, en kan snelheden bereiken die meer dan een orde van grootte sneller zijn bij gereduceerde resoluties en met binning. Bijvoorbeeld, de camera haalt 1,75 miljoen fps met een resolutie van 1280 × 32 en 640 × 64-pixel binned. Historisch waren de resoluties die bij frame rates boven 1 miljoen fps hoorden te laag voor bijna alle wetenschappelijke toepassingen, maar 1280 × 32 vertegenwoordigt een werkelijk bruikbare resolutie in een breid scala aan toepassingen.

• Belichtingstijden. De nieuwe sensor ondersteunt minimale belichtingstijden van 95 ns met de Export Controlled FAST optie. De snelle belichtingstijden maken het mogelijk om nog snelere gebeurtenissen vast te leggen zonder bewegingsverwarriing, wat een beperkende factor kan zijn bij het verkrijgen van hoogwaardige beelden in toepassingen zo wijd uiteenlopend als cytometrie en verbrandingsanalyse.

• Pixelafmetingen. Om in lichtgehungerde condities te werken, hebben high-speed cameras historisch zeer grote pixelafmetingen gebruikt als middel om zoveel mogelijk fotonen te vangen. Onze bestaande FSI ultra-high-speed sensor heeft bijvoorbeeld een pixelafmeting van 28 µm per zijde voor een oppervlakte van 784 µm². De nieuwe BSI high-speed beeldsensor heeft een pixel van 18,5 µm per zijde, maar haar bekwaamheid in het vangen van licht maakt het ongeveer even gevoelig bij driemaal de snelheid als eerdere FSI-sensoren met 28 µm pixels. Kleinere pixels verbeteren ook de bemonsteringsfrequentie (Nyquist), waardoor de sensor hogere lp/mm ruimtelijke frequenties kan resolvieren voordat aliasing optreedt. Deze mogelijkheid verbetert de prestaties van het beeldsysteem in stroomcytometrie, particle image velocimetry (PIV), digital image correlation (DIC) en andere high-speed toepassingen die beperkt worden door het resolutievermogen van de sensor.

Bovenop BSI: Extra Ontwerpkenmerken

De prestatiedoorbraken die geassocieerd zijn met het nieuwe beeldsensorontwerp berusten voornamelijk op de BSI-architectuur, maar er is meer aan het ontwerp. De nieuwe sensor heeft ook een aantal ontwerpkenmerken die de prestaties verhoogen boven wat BSI alleen kan bereiken — met name gerelateerd aan de mogelijkheid om de enorme hoeveelheden beelddata bij hoge snelheden uit te lezen en de doorvoersnelheid te verbeteren.

Analog-naar-Digitaal Conversie Uitdagingen Oplossen

Het insluiten van analog-naar-digitale converters (ADC) op CMOS-beeldsensoren is standaardpraktijk, maar de snelheid van de BSI-sensor vereiste een massive toename van de hoeveelheid ADC. Terwijl moderne CMOS-beeldsensoren typisch tussen 1.000 en 10.000 ingesloten ADC's hebben, heeft de nieuwe BSI high-speed sensor 40.000 ADC's, elk converterend elke 523 ns en een grote hoeveelheid data genererend die van de sensor moet worden afgeladen. Om deze taak te volbrengen, bevat het 160 high-speed seriële outputs die werken met meer dan 5 Gbps. Deze technologie is gangbaar op CPU's en FPGA's, maar nieuw op een high-speed imaging sensor.

De dichtheid van ADC op de nieuwe sensor creëerde energiemanagement en elektrische crosstalk uitdagingen, die werden opgelost met de hulp van ons ontwerp- en geïntegreerde productiepartner, Forza Silicon. Hoewel simulaties vaak worden gebruikt om sensorprestaties te voorspellen, vereiste deze sensor dat de simulatie wekenlang rekende om een voorspelling te geven.

Forza heeft veel ervaring in het vereenvoudigen van simulaties en het analyseren van daadwerkelijke versus voorspelde resultaten voor snelle ontwerpwijzigingen. In het geval van de BSI-sensor onthulde testen van vroege ontwerpen een hoger niveau van ADC crosstalk in zowel normale imaging als binning modi dan onze simulatietools hadden voorspeld, wat zichtbare artefacten in de beelden veroorzaakte. Forza ingenieurs ontdekten dat de crosstalk voorspelbare patronen vertoonde en ontwikkelden modelleringstechnieken die hielpen de crosstalk volledig te elimineren, wat op zijn beurt de imaging artefacten mitigeerde.

Binning voor Maximale Doorvoersnelheid

De sensor ondersteunt 2 × 2 binning om de doorvoersnelheid bij hogere snelheden te maximaliseren. Hoewel niet gebruikelijk in high-speed sensoren, hebben we binning in twee eerdere cameras geïmplementeerd. Het helpt de beperkingen van de kolom ADC-architectuur van de sensor te mitigeren, waardoor hogere snelheden mogelijk zijn dan alleen de y-dimensie te verkleinen. Deze benadering is subtiel anders dan binning zoals toegepast in CCD-camera's, waar het primair wordt gebruikt om de gevoeligheid te versterken. In dit geval werd het gebruikt om de snelheid te versterken.

Het BSI Verschil

BSI is geen nieuwe technologie en is met groot succes gebruikt in standaard en mobiele telefoon camera's. Door het aan te passen aan high-speed imaging, is een sensor gecreëerd die de grenzen verlegt op het gebied van snelheid in lichtgehungerde condities.

Dit artikel is geschreven door Radu Corlan, Hoofdwetenschapper, en Kevin Gann, Afdelings VP van R&D, Vision Research (Wayne, NJ); en Loc Truong, VP van Engineering, Forza Silicon (Pasadena, CA). Voor meer informatie, contacteer Mr. Gann op kgann@visionresearch.com, of bezoek hier.