La iluminación de la parte trasera se acelera

Con velocidades de más de 1 millón de cuadros por segundo, las imágenes de alta velocidad son una herramienta de investigación invaluable capaz de capturar los eventos más fugaces en aplicaciones científicas y de ingeniería. Sin embargo, lograr esta velocidad viene con condiciones. La mayoría de las cámaras de alta velocidad están diseñadas para lograr un rendimiento máximo de gigapíxeles/segundo (Gpx/seg), que se ofrece en un equilibrio entre la velocidad de fotogramas y la resolución. Por ejemplo, una cámara de 25 Gpx/seg alcanza 25 700 fotogramas por segundo (fps) con una resolución de 1280 × 800 píxeles y puede lograr una velocidad de fotogramas más alta de 28 500 con una resolución menor de 1280 × 720. Ambas combinaciones tienen casi el mismo rendimiento . Velocidades de fotogramas muy altas, como 1 millón de fps, van acompañadas de resoluciones muy pequeñas, lo que hace que sea más difícil ver el tema.

A medida que aumentan las velocidades de fotogramas, disminuye el tiempo de exposición que tiene un píxel a la luz. A 25 700 fps, cada cuadro tiene una exposición máxima de 39 microsegundos (µs) y a 1 millón de fps, el tiempo máximo de exposición es de solo 733 nanosegundos (ns). Los cortos tiempos de exposición requieren altos niveles de iluminación para compensar el corto tiempo que el píxel recibe luz. De hecho, muchas aplicaciones de alta velocidad carecen de luz, lo que significa que, dados los tiempos de exposición muy cortos a velocidades de cuadro altas, la iluminación disponible no entregará suficiente luz al sensor de imágenes de la cámara para producir una imagen ideal e incluso puede resultar poco práctico. en ciertas aplicaciones.

Los operadores de cámaras de alta velocidad se han vuelto expertos en equilibrar su necesidad de velocidad y resolución con su necesidad de iluminación adecuada. Son capaces de capturar imágenes espectaculares que avanzan las fronteras de la comprensión científica y el análisis de ingeniería, pero las compensaciones se vuelven más difíciles de manejar a medida que los usuarios superan los límites de las imágenes de alta velocidad.

Recientemente, se realizó un avance técnico que alivia la restricción de velocidad-resolución-sensibilidad. Se ha desarrollado un nuevo sensor de imagen de alta velocidad que emplea iluminación trasera (BSI) para aumentar el área de superficie de píxel que puede capturar fotones. Debido a que es más efectivo para capturar la luz, el sensor BSI es más adecuado para aplicaciones que requieren altas velocidades de cuadros. En esta cámara, el rendimiento (velocidad de fotogramas máxima multiplicada por resolución de fotogramas máxima) se triplicó en comparación con las generaciones anteriores de sensores de imágenes CMOS de alta velocidad. El nuevo sensor debutó en marzo de 2021 en las nuevas cámaras Phantom TMX, la más rápida de las cuales puede disparar a 76 000 fps con una resolución completa de 1280 × 800 píxeles.

Llevar BSI a aplicaciones de alta velocidad

Hasta ahora, los sensores CMOS utilizados en las cámaras de alta velocidad se han basado en arquitecturas con iluminación frontal (FSI), en las que el circuito de metal del sensor que se encuentra sobre los fotodiodos de los píxeles está orientado hacia la fuente de luz. Este circuito de metal evita que la luz incidente llegue a los píxeles, lo que a su vez afecta el factor de relleno y reduce la sensibilidad del sensor.

Los sensores BSI están diseñados con una oblea transportadora gruesa adherida a la parte superior de la pila de metal. Esta disposición permite adelgazar y voltear el silicio a granel para exponer los diodos que miran hacia la fuente de luz y la superficie metálica detrás de ellos. Hay dos ventajas significativas para los sensores BSI en alta velocidad:factor de relleno mejorado, al proporcionar una ruta directa para que la luz llegue a la superficie receptora de luz (consulte la Figura 1), y velocidad de procesamiento mejorada, al agregar más metal al metal del sensor. superficie.

• Factor de relleno mejorado: Esta eficacia para capturar la luz incidente se expresa en términos del factor de llenado del sensor, o el porcentaje del área de la superficie del píxel que puede capturar fotones. Con su circuito de metal bloqueando o reflejando parte de la luz, un sensor FSI típico utilizado en imágenes de alta velocidad tendrá un factor de relleno de entre 50 y 60 %, parcialmente compensado por una microlente en los sensores FSI actuales típicos. Al quitar los circuitos del camino, este nuevo sensor BSI tiene un factor de llenado cercano al 100 %.

• Mayor velocidad de procesamiento: La velocidad básica de la matriz de píxeles está limitada por las constantes de tiempo de la resistencia-capacitor (RC), y agregar metal reduce la resistencia y aumenta la velocidad. En los sensores FSI, la cantidad de metal en el frente del sensor está limitada para permitir que la luz llegue a los fotodiodos. Esta restricción conduce a una sobrecarga en la velocidad de procesamiento. A medida que aumentan las velocidades de fotogramas y disminuyen las resoluciones, la cámara no puede proporcionar el rendimiento máximo de Gpx/seg debido a las pérdidas por sobrecarga. Los sensores BSI no tienen esta restricción y pueden tener un circuito de metal significativamente mayor, lo que reduce sustancialmente o incluso elimina la sobrecarga. Esta capacidad permite que un sensor BSI mantenga su rendimiento máximo de Gpx/seg incluso en combinaciones de velocidad de cuadro muy alta/baja resolución.

Los sensores BSI han estado disponibles durante más de 10 años en una variedad de teléfonos celulares y cámaras digitales estándar. Han ofrecido ventajas comprobadas cuando se trata de mejorar el rendimiento con poca luz y el rango dinámico de estas cámaras enfocadas en el consumidor. ¿Por qué tomó tanto tiempo llevar estos sensores a imágenes de alta velocidad? En una palabra, tamaño.

Los sensores y píxeles utilizados en las cámaras de alta velocidad son mucho más grandes que las cámaras estándar para minimizar las compensaciones entre velocidad, resolución y sensibilidad. Por ejemplo, mientras que la cámara de un teléfono móvil puede tener un píxel que mide menos de 2 µm por lado, los píxeles de este nuevo sensor de imagen suelen tener más de 6 µm y hasta 28 µm por lado.

El proceso de fabricación de los sensores BSI es intrínsecamente más difícil que el de los sensores FSI comparables y requiere pasos de fabricación adicionales. Entre ellos se encuentra un paso de adelgazamiento de la oblea para eliminar el silicio a granel, acercando los fotodiodos a la fuente de luz. También hay pasos de procesamiento adicionales en la parte posterior de la oblea para recocer la superficie y proporcionar contactos eléctricos en la parte frontal. El tamaño de los sensores de imagen de alta velocidad solo exacerba las dificultades de fabricación. Las realidades de la economía de los semiconductores también dificultaron la transferencia de tecnología de los altos volúmenes de producción de cámaras estándar a los volúmenes comparativamente bajos de sensores de imágenes de alta velocidad. Llevó tiempo perfeccionar el proceso de fabricación y lograr rendimientos prácticos.

El sensor de imagen BSI ha valido la pena la espera. Establece nuevos estándares para:

• Velocidad. La primera cámara que utiliza el sensor captura imágenes a 76 000 fps con una resolución completa de 1 megapíxel (1280 × 800), y puede alcanzar velocidades más de un orden de magnitud más rápidas con resoluciones reducidas y con agrupamiento. Por ejemplo, la cámara alcanza un máximo de 1,75 millones de fps con una resolución de 1280 × 32 y 640 × 64 píxeles agrupados. Históricamente, las resoluciones asociadas con velocidades de fotogramas superiores a 1 millón de fps eran demasiado bajas para casi todos los usos científicos, pero 1280 × 32 representa una resolución verdaderamente utilizable en una amplia gama de aplicaciones.

• Tiempos de exposición. El nuevo sensor admite tiempos de exposición mínimos de hasta 95 ns con la opción Export Controlled FAST. Los tiempos de exposición rápidos permiten capturar eventos cada vez más rápidos sin desenfoque de movimiento, lo que puede ser un factor limitante para obtener imágenes de alta calidad en aplicaciones tan variadas como la citometría y el análisis de combustión.

• Tamaño de píxel. Para trabajar en condiciones de escasez de luz, las cámaras de alta velocidad han utilizado históricamente tamaños de píxeles muy grandes como un medio para capturar tantos fotones como sea posible. Nuestro sensor de velocidad ultrarrápida FSI existente, por ejemplo, tiene un tamaño de píxel de 28 µm por lado para un área de 784 µm ² . El nuevo sensor de imagen de alta velocidad BSI tiene un píxel de 18,5 µm por lado, pero su habilidad para capturar la luz lo hace casi tan sensible a una velocidad tres veces mayor que los sensores FSI anteriores con píxeles de 28 µm. Los píxeles más pequeños también mejoran la frecuencia de muestreo (Nyquist), lo que permite que el sensor resuelva frecuencias espaciales más altas de lp/mm antes del aliasing. Esta capacidad mejora el rendimiento del sistema de imágenes en citometría de flujo, velocimetría de imágenes de partículas (PIV), correlación de imágenes digitales (DIC) y otras aplicaciones de alta velocidad limitadas por el poder de resolución del sensor.

Más allá de BSI

Los avances en rendimiento asociados con el nuevo diseño del sensor de imagen se basan principalmente en su arquitectura BSI, pero hay más en el diseño. El nuevo sensor también tiene una serie de características de diseño que aumentan el rendimiento más allá de lo que BSI podría lograr por sí solo, particularmente en relación con la capacidad de leer cantidades masivas de datos de imágenes a altas velocidades y mejorar el rendimiento.

Resolviendo desafíos de conversión de analógico a digital. La incorporación de convertidores de analógico a digital (ADC) en sensores de imagen CMOS es una práctica estándar, pero la velocidad del sensor BSI requirió un aumento masivo en la cantidad de ADC. Mientras que los sensores de imagen CMOS modernos suelen tener entre 1000 y 10 000 ADC integrados, el nuevo sensor de alta velocidad BSI tiene 40 000 ADC, cada uno de los cuales convierte cada 523 ns y genera una gran cantidad de datos para descargar del sensor. Para cumplir con esta tarea, incorpora 160 salidas seriales de alta velocidad que operan a más de 5 Gbps. Esta tecnología es común en CPU y FPGA, pero es nueva en un sensor de imágenes de alta velocidad.

La densidad de ADC en el nuevo sensor creó desafíos de administración de energía y diafonía eléctrica, que se resolvieron con la ayuda de nuestro socio de diseño y producción integrada, Forza Silicon. Si bien las simulaciones a menudo se usan para predecir el rendimiento del sensor, este sensor requirió que la simulación calculara durante semanas para proporcionar una predicción.

Forza tiene una gran experiencia en la simplificación de simulaciones y el análisis de los resultados reales frente a los previstos para realizar modificaciones de diseño rápidas. En el caso del sensor BSI, las pruebas de los primeros diseños revelaron un nivel más alto de diafonía del ADC tanto en el modo de imagen normal como en el modo binning de lo que habían predicho nuestras herramientas de simulación, lo que provocó artefactos notables en las imágenes. Los ingenieros de Forza descubrieron que la diafonía exhibía patrones predecibles y desarrollaron técnicas de modelado que ayudaron a eliminar la diafonía por completo, lo que a su vez mitigó los artefactos de imagen.

Binning para un rendimiento máximo. El sensor admite agrupamiento 2 × 2 para maximizar el rendimiento a velocidades más rápidas. Aunque no es común en los sensores de alta velocidad, implementamos el binning en dos cámaras anteriores. Ayuda a mitigar las limitaciones de la arquitectura ADC de columna del sensor, lo que permite velocidades más rápidas que simplemente disminuir la dimensión y. Este enfoque es sutilmente diferente al agrupamiento que se aplica en las cámaras CCD, donde se utiliza principalmente para aumentar la sensibilidad. En este caso, se utilizó para aumentar la velocidad.

Diferencia BSI

BSI no es una tecnología nueva y se ha utilizado con gran éxito en cámaras estándar y de teléfonos móviles. Al adaptarlo a imágenes de alta velocidad, se ha creado un sensor que amplía los límites de la velocidad en condiciones de escasez de luz.

Este artículo fue escrito por Radu Corlan, científico jefe, y Kevin Gann, vicepresidente de división de I+D, Vision Research (Wayne, NJ); y Loc Truong, vicepresidente de ingeniería, Forza Silicon (Pasadena, CA). Para obtener más información, comuníquese con el Sr. Gann en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita habilitar JavaScript para verlo., o visite aquí .