Задняя подсветка становится быстрой

Высокоскоростная визуализация со скоростью более 1 миллиона кадров в секунду является бесценным исследовательским инструментом, способным фиксировать самые мимолетные события в научных и инженерных приложениях. Тем не менее, достижение этой скорости связано с определенными условиями. Большинство высокоскоростных камер рассчитаны на достижение максимальной пропускной способности в гигапикселях в секунду (Gpx/sec), что достигается за счет компромисса между частотой кадров и разрешением. Например, камера 25 Гпкс/сек достигает 25 700 кадров в секунду (кадров в секунду) при разрешении 1280 × 800 пикселей и может достигать более высокой частоты кадров 28 500 при меньшем разрешении 1280 × 720. Обе комбинации имеют почти одинаковую пропускную способность. . Очень высокая частота кадров, например 1 миллион кадров в секунду, сопровождается очень низким разрешением, что затрудняет просмотр объекта.

По мере увеличения частоты кадров время экспозиции пикселя для освещения уменьшается. При 25 700 кадрах в секунду максимальная экспозиция каждого кадра составляет 39 микросекунд (мкс), а при 1 миллионе кадров в секунду максимальное время экспозиции составляет всего 733 наносекунды (нс). Короткое время экспозиции требует высокого уровня освещения, чтобы компенсировать короткое время, в течение которого пиксель получает свет. На самом деле, многим высокоскоростным приложениям не хватает света, а это означает, что, учитывая очень короткое время экспозиции при высокой частоте кадров, доступное освещение не будет подавать достаточно света на датчик изображения камеры для создания идеального изображения и может быть даже непрактичным. в определенных приложениях.

Операторы высокоскоростных камер научились уравновешивать свою потребность в скорости и разрешении с потребностью в адекватном освещении. Они способны создавать впечатляющие изображения, которые расширяют границы научного понимания и инженерного анализа, но компромиссы становятся все более сложными, поскольку пользователи раздвигают границы высокоскоростных изображений.

Недавно был сделан технический прорыв, который ослабил ограничение скорости, разрешения и чувствительности. Был разработан новый высокоскоростной датчик изображения, в котором используется задняя подсветка (BSI) для увеличения площади поверхности пикселя, способной улавливать фотоны. Поскольку датчик BSI более эффективно улавливает свет, он лучше подходит для приложений, требующих высокой частоты кадров. В этой камере пропускная способность — максимальная частота кадров, умноженная на максимальное разрешение кадра, — увеличилась в три раза по сравнению с предыдущими поколениями высокоскоростных датчиков изображения CMOS. Новый датчик дебютировал в марте 2021 года в новых камерах Phantom TMX, самая быстрая из которых может снимать со скоростью 76 000 кадров в секунду при полном разрешении 1280 × 800 пикселей.

Привнесение BSI в высокоскоростные приложения

До сих пор датчики CMOS, используемые в высокоскоростных камерах, основывались на архитектурах с фронтальной подсветкой (FSI), в которых металлическая схема датчика, расположенная над фотодиодами пикселей, обращена к источнику света. Эта металлическая схема предотвращает попадание некоторого количества падающего света на пиксели, что, в свою очередь, влияет на коэффициент заполнения и снижает чувствительность сенсора.

Датчики BSI имеют толстую несущую пластину, прикрепленную к верхней части металлического блока. Такое расположение позволяет утончать объемный кремний и переворачивать его, чтобы обнажить диоды, обращенные к источнику света, и металлическую поверхность позади них. У высокоскоростных датчиков BSI есть два существенных преимущества:улучшенный коэффициент заполнения за счет обеспечения прямого пути для света, достигающего светоприемной поверхности (см. рис. 1), и повышенная скорость обработки за счет добавления большего количества металла к металлу датчика. поверхность.

• Улучшенный коэффициент заполнения: Эта эффективность захвата падающего света выражается в коэффициенте заполнения сенсора — или в процентах от площади поверхности пикселя, способной улавливать фотоны. Благодаря своей металлической схеме, блокирующей или отражающей часть света, типичный датчик FSI, используемый в высокоскоростной визуализации, будет иметь коэффициент заполнения от 50 до 60%, что частично компенсируется микролинзой в типичных современных датчиках FSI. Благодаря удалению схемы этот новый датчик BSI имеет коэффициент заполнения, близкий к 100%.

• Увеличена скорость обработки: Базовая скорость массива пикселей ограничена постоянными времени резистора-конденсатора (RC), а добавление металла снижает сопротивление и увеличивает скорость. В датчиках FSI количество металла на передней панели датчика ограничено, чтобы свет мог достигать фотодиодов. Это ограничение приводит к увеличению скорости обработки. По мере увеличения частоты кадров и уменьшения разрешения камера не может обеспечить максимальную пропускную способность в Гпкс/сек из-за потерь накладных расходов. Датчики BSI не имеют этого ограничения и могут иметь значительно увеличенную металлическую схему, что существенно снижает или даже устраняет накладные расходы. Эта возможность позволяет датчику BSI поддерживать максимальную пропускную способность в Гпкс/сек даже при сочетании очень высокой частоты кадров и низкого разрешения.

Датчики BSI уже более 10 лет используются в различных мобильных телефонах и стандартных цифровых камерах. Они предлагают проверенные преимущества, когда речь идет об улучшении характеристик при слабом освещении и расширении динамического диапазона этих камер, ориентированных на потребителя. Почему потребовалось так много времени, чтобы довести эти датчики до высокоскоростной визуализации? Одним словом, размер.

Датчики и пиксели, используемые в высокоскоростных камерах, намного больше, чем в стандартных камерах, чтобы свести к минимуму компромиссы между скоростью, разрешением и чувствительностью. Например, в то время как размер пикселя камеры мобильного телефона может составлять менее 2 мкм с каждой стороны, размер пикселя на этой новой матрице обычно превышает 6 мкм и может достигать 28 мкм с каждой стороны.

Процесс производства датчиков BSI по своей природе сложнее, чем аналогичные датчики FSI, и требует дополнительных производственных этапов. Среди них — этап обратного утонения пластины для удаления объемного кремния, приближающего фотодиоды к источнику света. Существуют также дополнительные этапы обработки на обратной стороне пластины для отжига поверхности и обеспечения электрических контактов на лицевой стороне. Размер высокоскоростных датчиков изображения только усугубляет производственные трудности. Реалии экономики полупроводников также затруднили перенос технологии с больших объемов производства стандартных камер на сравнительно небольшие объемы высокоскоростных датчиков изображения. Потребовалось время, чтобы усовершенствовать производственный процесс и добиться практической отдачи.

Датчик изображения BSI стоил ожидания. Он устанавливает новые стандарты для:

• Скорость. Первая камера, использующая датчик, захватывает изображения со скоростью 76 000 кадров в секунду при полном разрешении 1 мегапиксель (1280 × 800) и может достигать скорости более чем на порядок быстрее при уменьшенном разрешении и с биннингом. Например, максимальная скорость камеры составляет 1,75 миллиона кадров в секунду с разрешением 1280 × 32 и 640 × 64 пикселей. Исторически сложилось так, что разрешение, связанное с частотой кадров выше 1 миллиона кадров в секунду, было слишком низким почти для всех научных целей, но разрешение 1280 × 32 представляет собой действительно пригодное для широкого круга приложений разрешение.

• Время воздействия. Новый датчик поддерживает минимальное время экспозиции до 95 нс с опцией Export Controlled FAST. Малое время экспозиции позволяет фиксировать все более быстрые события без размытия движения, что может быть ограничивающим фактором для получения высококачественных изображений в таких разнообразных приложениях, как цитометрия и анализ горения.

• Размер в пикселях. Для работы в условиях недостатка света в высокоскоростных камерах исторически использовались очень большие размеры пикселей, чтобы поймать как можно больше фотонов. Наш существующий сверхскоростной датчик FSI, например, имеет размер пикселя 28 мкм с каждой стороны на площади 784 мкм ² . . Новый высокоскоростной датчик изображения BSI имеет 18,5 мкм на боковой пиксель, но его умение улавливать свет делает его чувствительным примерно в три раза быстрее, чем предыдущие датчики FSI с пикселями 28 мкм. Меньшие пиксели также улучшают частоту дискретизации (Найквист), позволяя датчику разрешать более высокие пространственные частоты lp/mm до наложения спектров. Эта возможность повышает производительность системы визуализации в проточной цитометрии, велосиметрии изображений частиц (PIV), корреляции цифровых изображений (DIC) и других высокоскоростных приложениях, ограниченных разрешающей способностью датчика.

Помимо BSI

Прорывы в производительности, связанные с новой конструкцией датчика изображения, в основном связаны с его архитектурой BSI, но это еще не все. Новый датчик также имеет ряд конструктивных особенностей, которые повышают производительность по сравнению с тем, что BSI может сделать в одиночку, особенно в отношении возможности считывать огромные объемы данных изображений на высоких скоростях и повышать пропускную способность.

Решение проблем аналого-цифрового преобразования. Встраивание аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в датчики изображения CMOS является стандартной практикой, но скорость датчика BSI потребовала значительного увеличения количества АЦП. В то время как современные КМОП-датчики изображения обычно имеют от 1000 до 10 000 встроенных АЦП, новый высокоскоростной датчик BSI имеет 40 000 АЦП, каждый из которых выполняет преобразование каждые 523 нс и генерирует большой объем данных для разгрузки датчика. Для выполнения этой задачи он включает 160 высокоскоростных последовательных выходов, работающих со скоростью более 5 Гбит/с. Эта технология распространена в ЦП и ПЛИС, но является новой для высокоскоростного датчика изображения.

Плотность АЦП в новом датчике создала проблемы с управлением питанием и электрическими перекрестными помехами, которые были решены с помощью нашего партнера по разработке и интегрированному производству Forza Silicon. Хотя симуляции часто используются для прогнозирования производительности датчика, для этого датчика потребовалось, чтобы симуляция выполнялась в течение нескольких недель, чтобы получить прогноз.

Forza имеет значительный опыт в упрощении моделирования и анализе фактических результатов по сравнению с прогнозируемыми для быстрого изменения конструкции. В случае датчика BSI тестирование ранних конструкций выявило более высокий уровень перекрестных помех АЦП как в обычном режиме визуализации, так и в режиме биннинга, чем предсказывали наши инструменты моделирования, что вызывало заметные артефакты на изображениях. Инженеры Forza обнаружили, что перекрестные помехи проявляют предсказуемые закономерности, и разработали методы моделирования, которые помогли полностью устранить перекрестные помехи, что, в свою очередь, уменьшило артефакты изображения.

Биннинг для максимальной пропускной способности. Датчик поддерживает биннинг 2 × 2, чтобы максимизировать пропускную способность на более высоких скоростях. Хотя это не характерно для высокоскоростных датчиков, мы реализовали биннинг в двух предыдущих камерах. Это помогает смягчить ограничения архитектуры АЦП столбца датчика, обеспечивая более высокие скорости, чем простое уменьшение размера по оси Y. Этот подход немного отличается от биннинга, применяемого в ПЗС-камерах, где он используется в первую очередь для повышения чувствительности. В данном случае это использовалось для увеличения скорости.

Разница BSI

BSI — не новая технология, и она с большим успехом использовалась в стандартных камерах и камерах мобильных телефонов. Благодаря адаптации его к высокоскоростным изображениям был создан датчик, который раздвигает границы скорости в условиях недостатка света.

Эта статья была написана Раду Корланом, главным научным сотрудником, и Кевином Ганном, вице-президентом отдела исследований и разработок, Vision Research (Уэйн, Нью-Джерси); и Лок Труонг, вице-президент по инженерным вопросам, Forza Silicon (Пасадена, Калифорния). Для получения дополнительной информации свяжитесь с г-ном Ганном по адресу Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра или посетите здесь .