Iluminación posterior rápida: Captura de más de 1 millón de FPS

Con velocidades superiores a 1 millón de fotogramas por segundo, la imagen de alta velocidad es una herramienta de investigación invaluable capaz de capturar los eventos más fugaces en aplicaciones científicas y de ingeniería. Sin embargo, alcanzar esta velocidad conlleva limitaciones. La mayoría de las cámaras de alta velocidad están diseñadas para lograr un rendimiento máximo de gigapíxeles por segundo (Gpx/seg), ofreciendo un compromiso entre velocidad de fotogramas y resolución. Por ejemplo, una cámara de 25 Gpx/seg alcanza 25.700 fps a una resolución de 1280 × 800 píxeles y puede lograr una velocidad de fotogramas más alta de 28.500 fps a 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 dificulta ver el sujeto.

A medida que aumentan las velocidades de fotogramas, el tiempo de exposición que tiene un píxel a la luz disminuye. A 25.700 fps, cada fotograma tiene una exposición máxima de 39 microsegundos (µs), y a 1 millón de fps, el tiempo de exposición máximo es de solo 733 nanosegundos (ns). Los cortos tiempos de exposición requieren altos niveles de iluminación para compensar el breve tiempo que el píxel recibe luz. De hecho, muchas aplicaciones de alta velocidad carecen de luz, lo que significa que, dadas las exposiciones tan cortas a altas velocidades de fotogramas, la iluminación disponible no proporciona suficiente luz al sensor de imagen de la cámara para producir una imagen ideal e incluso puede ser impracticable en ciertas aplicaciones.

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

Recientemente, se logró un avance técnico que alivia la restricción velocidad-resolución-sensibilidad. Se ha desarrollado un nuevo sensor de imagen de alta velocidad que emplea iluminación posterior (BSI) para aumentar el área de superficie del píxel que puede capturar fotones. Al ser más efectivo en la captura de luz, el sensor BSI es más adecuado para aplicaciones que requieren altas velocidades de fotogramas. En esta cámara, el rendimiento —velocidad máxima de fotogramas por resolución máxima— aumentó en un factor de tres en comparación con generaciones anteriores de sensores CMOS de imagen 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 a resolución completa de 1280 × 800 píxeles.

Llevando BSI a aplicaciones de alta velocidad

Hasta ahora, los sensores CMOS utilizados en cámaras de alta velocidad se basaban en arquitecturas de iluminación frontal (FSI), en las que la circuitería metálica del sensor situada sobre los fotodiodos de los píxeles mira hacia la fuente de luz. Esta circuitería metálica impide que parte de la luz incidente llegue a los píxeles, lo que afecta el factor de relleno y reduce la sensibilidad del sensor.

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

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

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

Los sensores BSI llevan más de 10 años disponibles en una variedad de teléfonos móviles y cámaras digitales estándar. Han ofrecido ventajas probadas en la mejora del rendimiento con poca luz y el rango dinámico de estas cámaras orientadas al consumidor. ¿Por qué tardó tanto en llevar estos sensores a la imagen de alta velocidad? En una palabra: tamaño.

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

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

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

• Velocidad. La primera cámara que usa el sensor captura imágenes a 76.000 fps a resolución completa de 1 megapíxel (1280 × 800), y puede alcanzar velocidades más de un orden de magnitud más rápidas a resoluciones reducidas y con binning. Por ejemplo, la cámara llega a 1,75 millones de fps con una resolución de 1280 × 32 y binning de 640 × 64 píxeles. Históricamente, las resoluciones asociadas a 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 soporta tiempos de exposición mínimos tan rápidos como 95 ns con la opción FAST de control de exportación. 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 diversas como citometría y análisis de combustión.

• Tamaño de píxel. Para trabajar en condiciones de escasez de luz, las cámaras de alta velocidad han utilizado históricamente tamaños de píxel muy grandes para capturar la mayor cantidad posible de fotones. Nuestro sensor FSI ultra-alta velocidad existente, por ejemplo, tiene un tamaño de píxel de 28 µm por lado para un área de 784 µm². El nuevo sensor de imagen BSI de alta velocidad tiene un píxel de 18,5 µm por lado, pero su pericia en la captura de luz lo hace aproximadamente tan sensible a tres veces la velocidad que los sensores FSI anteriores con píxeles de 28 µm. Los píxeles más pequeños también mejoran la frecuencia de muestreo (Nyquist), permitiendo al sensor resolver frecuencias espaciales más altas en lp/mm antes del aliasing. Esta capacidad mejora el rendimiento del sistema de imagen en citometría de flujo, velocimetría de imagen de partículas (PIV), correlación de imagen digital (DIC) y otras aplicaciones de alta velocidad limitadas por el poder de resolución del sensor.

Más allá de BSI

Los avances de rendimiento asociados con el nuevo diseño de 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 mejoran el rendimiento más allá de lo que BSI podría lograr solo —especialmente relacionadas con la capacidad de leer las enormes cantidades de datos de imagen a altas velocidades y mejorar el rendimiento.

Resolviendo los desafíos de conversión analógico-digital. Incorporar convertidores analógico-digitales (ADC) en sensores de imagen CMOS es una práctica estándar, pero la velocidad del sensor BSI requería un aumento masivo en la cantidad de ADC. Mientras que los sensores de imagen CMOS modernos suelen tener entre 1.000 y 10.000 ADC integrados, el nuevo sensor BSI de alta velocidad tiene 40.000 ADC, cada uno convirtiendo cada 523 ns y generando una gran cantidad de datos para descargar del sensor. Para lograr esta tarea, incorpora 160 salidas seriales de alta velocidad que operan a más de 5 Gbps. Esta tecnología es común en CPUs y FPGAs pero nueva en un sensor de imagen de alta velocidad.

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

Forza tiene una experiencia significativa en simplificar simulaciones y analizar resultados reales versus predichos para modificaciones rápidas de diseño. En el caso del sensor BSI, las pruebas de diseños tempranos revelaron un nivel más alto de diafonía ADC tanto en modos de imagen normal como de binning de lo que nuestras herramientas de simulación habían predicho, causando 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 máximo rendimiento. El sensor soporta binning 2 × 2 para maximizar el rendimiento a velocidades más rápidas. Aunque no es común en sensores de alta velocidad, hemos implementado binning en dos cámaras anteriores. Ayuda a mitigar las limitaciones de la arquitectura ADC de columnas del sensor, permitiendo velocidades más rápidas que simplemente disminuyendo la dimensión y. Este enfoque es sutilmente diferente al binning aplicado en cámaras CCD, donde se usa principalmente para aumentar la sensibilidad. En este caso, se usó 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 adaptarla a la imagen de alta velocidad, se ha creado un sensor que supera los límites de velocidad en condiciones de escasez de luz.

Este artículo fue escrito por Radu Corlan, Científico Jefe, y Kevin Gann, VP de División de I+D, Vision Research (Wayne, NJ); y Loc Truong, VP de Ingeniería, Forza Silicon (Pasadena, CA). Para más información, contacte al Sr. Gann en Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo., o visite aquí .