Iluminação Traseira Rápida: Capturando Mais de 1 Milhão de FPS

Com velocidades superiores a 1 milhão de quadros por segundo, a imagem de alta velocidade é uma ferramenta de pesquisa inestimável, capaz de capturar os eventos mais fugazes em aplicações científicas e de engenharia. No entanto, atingir essa velocidade envolve compensações. A maioria das câmeras de alta velocidade é projetada para alcançar uma taxa de transferência máxima de gigapixels por segundo (Gpx/s), oferecida em uma troca entre taxa de quadros e resolução. Por exemplo, uma câmera de 25 Gpx/s atinge 25.700 quadros por segundo (fps) a uma resolução de 1280 × 800 pixels e pode alcançar uma taxa de quadros maior de 28.500 fps com uma resolução menor de 1280 × 720. Ambas as combinações têm praticamente a mesma taxa de transferência. Taxas de quadros muito altas, como 1 milhão de fps, são acompanhadas por resoluções muito pequenas, tornando mais desafiador visualizar o assunto.

À medida que as taxas de quadros aumentam, o tempo de exposição que um pixel tem à luz diminui. A 25.700 fps, cada quadro tem uma exposição máxima de 39 microssegundos (µs), e a 1 milhão de fps, o tempo máximo de exposição é de apenas 733 nanossegundos (ns). Os curtos tempos de exposição exigem altos níveis de iluminação para compensar o pouco tempo em que o pixel recebe luz. De fato, muitas aplicações de alta velocidade são "carentes de luz", o que significa que, dadas as exposições muito curtas em altas taxas de quadros, a iluminação disponível não fornece luz suficiente ao sensor de imagem da câmera para produzir uma imagem ideal e pode até ser impraticável em certas aplicações.

Operadores de câmeras de alta velocidade tornaram-se hábeis em equilibrar sua necessidade de velocidade e resolução com a necessidade de iluminação adequada. Eles conseguem capturar imagens espetaculares que avançam as fronteiras do entendimento científico e da análise de engenharia, mas as compensações tornam-se mais difíceis de gerenciar à medida que os usuários ultrapassam os limites da imagem de alta velocidade.

Recentemente, foi alcançado um avanço técnico que alivia a restrição velocidade-resolução-sensibilidade. Um novo sensor de imagem de alta velocidade foi desenvolvido, empregando iluminação traseira (BSI - Backside Illumination) para aumentar a área de superfície do pixel capaz de capturar fótons. Por ser mais eficaz na captura de luz, o sensor BSI é mais adequado para aplicações que exigem altas taxas de quadros. Nesta câmera, a taxa de transferência — taxa máxima de quadros vezes resolução máxima do quadro — aumentou em um fator de três em comparação com as gerações anteriores de sensores CMOS de imagem de alta velocidade. O novo sensor estreou em março de 2021 nas novas câmeras Phantom TMX, a mais rápida das quais pode filmar a 76.000 fps na resolução total de 1280 × 800 pixels.

Trazendo BSI para Aplicações de Alta Velocidade

Até agora, os sensores CMOS usados em câmeras de alta velocidade baseavam-se em arquiteturas de iluminação frontal (FSI - Frontside Illumination), nas quais a circuitaria metálica do sensor situada acima dos fotodiodos dos pixels fica voltada para a fonte de luz. Essa circuitaria metálica impede que parte da luz incidente atinja os pixels, o que afeta o fator de preenchimento e reduz a sensibilidade do sensor.

Sensores BSI são projetados com uma wafer de suporte espessa anexada ao topo da pilha metálica. Essa disposição permite que o silício bulk seja afinado e virado para expor os diodos voltados para a fonte de luz e a superfície metálica atrás deles. Existem duas vantagens significativas dos sensores BSI em alta velocidade: fator de preenchimento aprimorado, ao fornecer uma rota direta para a luz atingir a superfície receptora de luz (veja a Figura 1), e velocidade de processamento aprimorada, ao adicionar mais metal à superfície metálica do sensor.

• Fator de preenchimento aprimorado: Essa eficácia na captura de luz incidente é expressa em termos do fator de preenchimento do sensor — ou a porcentagem da área de superfície do pixel capaz de capturar fótons. Com sua circuitaria metálica bloqueando ou refletindo parte da luz, um sensor FSI típico usado em imagem de alta velocidade terá um fator de preenchimento entre 50 e 60%, parcialmente compensado por uma microlente nos sensores FSI atuais. Ao mover a circuitaria para fora do caminho, este novo sensor BSI possui um fator de preenchimento próximo a 100%.

• Velocidade de processamento aumentada: A velocidade básica do array de pixels é limitada por constantes de tempo resistor-capacitor (RC), e adicionar metal reduz a resistência e aumenta a velocidade. Em sensores FSI, a quantidade de metal na frente do sensor é limitada para permitir que a luz atinja os fotodiodos. Essa restrição leva a overhead na velocidade de processamento. À medida que as taxas de quadros aumentam e as resoluções diminuem, a câmera não consegue fornecer a taxa máxima de Gpx/s devido a perdas por overhead. Sensores BSI não têm essa restrição e podem ter circuitaria metálica significativamente aumentada, reduzindo substancialmente ou até eliminando o overhead. Essa capacidade permite que um sensor BSI mantenha sua taxa máxima de Gpx/s mesmo em combinações de taxa de quadros muito alta/resolução baixa.

Sensores BSI estão disponíveis há mais de 10 anos em uma variedade de câmeras de celular e digitais padrão. Eles ofereceram vantagens comprovadas na melhoria do desempenho em baixa luz e faixa dinâmica dessas câmeras voltadas ao consumidor. Por que demorou tanto para trazer esses sensores para a imagem de alta velocidade? Em uma palavra: tamanho.

Os sensores e pixels usados em câmeras de alta velocidade são muito maiores do que os de câmeras padrão para minimizar as compensações velocidade-resolução-sensibilidade. Por exemplo, enquanto uma câmera de celular pode ter um pixel que mede menos de 2 µm por lado, os pixels neste novo sensor de imagem são tipicamente maiores que 6 µm e chegam a 28 µm por lado.

O processo de fabricação de sensores BSI é inerentemente mais difícil do que o de sensores FSI comparáveis e requer etapas adicionais de fabricação. Entre elas está uma etapa de afinamento da parte traseira da wafer para remover o silício bulk, aproximando os fotodiodos da fonte de luz. Há também etapas adicionais de processamento no lado traseiro da wafer para recozimento da superfície e fornecimento de contatos elétricos para o lado frontal. O tamanho dos sensores de imagem de alta velocidade apenas exacerba as dificuldades de fabricação. As realidades da economia de semicondutores também dificultaram a transferência da tecnologia dos altos volumes de produção de câmeras padrão para os volumes comparativamente baixos de sensores de imagem de alta velocidade. Levou tempo para aperfeiçoar o processo de fabricação e alcançar rendimentos práticos.

O sensor de imagem BSI valeu a espera. Ele estabelece novos padrões para:

• Velocidade. A primeira câmera usando o sensor captura imagens a 76.000 fps na resolução total de 1 megapixel (1280 × 800), e pode atingir velocidades mais de uma ordem de magnitude maior em resoluções reduzidas e com binning. Por exemplo, a câmera atinge 1,75 milhão de fps com resolução de 1280 × 32 e binning de 640 × 64 pixels. Historicamente, as resoluções associadas a taxas de quadros acima de 1 milhão de fps eram muito baixas para quase todos os usos científicos, mas 1280 × 32 representa uma resolução verdadeiramente utilizável em uma ampla gama de aplicações.

• Tempos de exposição. O novo sensor suporta tempos mínimos de exposição tão rápidos quanto 95 ns com a opção FAST controlada por exportação. Os tempos de exposição rápidos tornam possível capturar eventos cada vez mais rápidos sem desfoque de movimento, que pode ser um fator limitante na obtenção de imagens de alta qualidade em aplicações tão variadas quanto citometria e análise de combustão.

• Tamanho do pixel. Para trabalhar em condições de pouca luz, câmeras de alta velocidade historicamente usavam tamanhos de pixel muito grandes como meio de capturar o máximo de fótons possível. Nosso sensor FSI ultra-alta velocidade existente, por exemplo, tem um tamanho de pixel de 28 µm por lado, para uma área de 784 µm². O novo sensor BSI de alta velocidade tem um pixel de 18,5 µm por lado, mas sua proficiência em capturar luz o torna cerca de tão sensível a três vezes a velocidade quanto sensores FSI anteriores com pixels de 28 µm. Pixels menores também melhoram a frequência de amostragem (Nyquist), permitindo que o sensor resolva frequências espaciais lp/mm mais altas antes do aliasing. Essa capacidade melhora o desempenho do sistema de imagem em citometria de fluxo, velocimetria de imagem de partículas (PIV), correlação digital de imagens (DIC) e outras aplicações de alta velocidade limitadas pelo poder de resolução do sensor.

Além do BSI

Os avanços de desempenho associados ao novo design de sensor de imagem baseiam-se principalmente em sua arquitetura BSI, mas há mais no design. O novo sensor também possui uma série de recursos de design que aumentam o desempenho além do que o BSI poderia realizar sozinho — particularmente relacionados à capacidade de ler as enormes quantidades de dados de imagem em altas velocidades e melhorar a taxa de transferência.

Resolvendo desafios de conversão analógico-digital. Incorporar conversores analógico-digitais (ADC) em sensores de imagem CMOS é prática padrão, mas a velocidade do sensor BSI exigiu um aumento massivo na quantidade de ADC. Enquanto sensores de imagem CMOS modernos normalmente têm entre 1.000 e 10.000 ADCs embarcados, o novo sensor BSI de alta velocidade tem 40.000 ADCs, cada um convertendo a cada 523 ns e gerando uma grande quantidade de dados para descarregar do sensor. Para realizar essa tarefa, ele incorpora 160 saídas seriais de alta velocidade operando a mais de 5 Gbps. Essa tecnologia é comum em CPUs e FPGAs, mas nova em um sensor de imagem de alta velocidade.

A densidade de ADC no novo sensor criou desafios de gerenciamento de energia e crosstalk elétrico, que foram resolvidos com a ajuda de nosso parceiro de design e produção integrada, Forza Silicon. Embora simulações sejam frequentemente usadas para prever o desempenho do sensor, este sensor exigiu que a simulação calculasse por semanas para fornecer uma previsão.

A Forza tem experiência significativa em simplificar simulações e analisar resultados reais versus previstos para modificações rápidas de design. No caso do sensor BSI, testes de designs iniciais revelaram um nível mais alto de crosstalk de ADC tanto em modos de imagem normal quanto de binning do que nossas ferramentas de simulação haviam previsto, causando artefatos perceptíveis nas imagens. Engenheiros da Forza descobriram que o crosstalk exibiu padrões previsíveis e desenvolveram técnicas de modelagem que ajudaram a eliminar o crosstalk completamente, o que por sua vez mitigou os artefatos de imagem.

Binning para taxa de transferência máxima. O sensor suporta binning 2 × 2 para maximizar a taxa de transferência em velocidades mais altas. Embora não seja comum em sensores de alta velocidade, implementamos binning em duas câmeras anteriores. Ele ajuda a mitigar limitações da arquitetura de ADC de coluna do sensor, permitindo velocidades mais rápidas do que simplesmente diminuir a dimensão y. Essa abordagem é sutilmente diferente do binning aplicado em câmeras CCD, onde é usado principalmente para aumentar a sensibilidade. Neste caso, foi usado para aumentar a velocidade.

Diferença do BSI

BSI não é uma tecnologia nova e tem sido usada com grande sucesso em câmeras padrão e de celular. Ao adaptá-la à imagem de alta velocidade, foi criado um sensor que ultrapassa os limites de velocidade em condições de pouca luz.

Este artigo foi escrito por Radu Corlan, Cientista Chefe, e Kevin Gann, VP da Divisão de P&D, Vision Research (Wayne, NJ); e Loc Truong, VP de Engenharia, Forza Silicon (Pasadena, CA). Para mais informações, contate o Sr. Gann em Este endereço de email está sendo protegido de spambots. Você precisa do JavaScript ativado para vê-lo., ou visite aqui .