Iluminação traseira fica mais rápida

Com velocidades de mais de 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, alcançar essa velocidade vem com amarras. A maioria das câmeras de alta velocidade é projetada para atingir uma taxa de transferência máxima de gigapixel/segundo (Gpx/s), oferecida em uma troca de taxa de quadros por resolução. Por exemplo, uma câmera de 25 Gpx/s atinge 25.700 quadros por segundo (fps) em uma resolução de 1280 × 800 pixels e pode atingir uma taxa de quadros mais alta de 28.500 em uma resolução menor de 1280 × 720. Ambas as combinações têm quase a mesma taxa de transferência . Taxas de quadros muito altas, como 1 milhão de fps, são acompanhadas por resoluções muito pequenas, tornando mais difícil ver 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 tempos de exposição curtos requerem altos níveis de iluminação para compensar o curto tempo que o pixel recebe luz. Na verdade, muitos aplicativos de alta velocidade são carentes de luz, o que significa que, devido aos tempos de exposição muito curtos em altas taxas de quadros, a iluminação disponível não fornecerá luz suficiente ao sensor de imagem da câmera para produzir uma imagem ideal e pode até ser impraticável em determinadas aplicações.

Os operadores de câmeras de alta velocidade tornaram-se peritos em equilibrar sua necessidade de velocidade e resolução com sua necessidade de iluminação adequada. Eles são capazes de capturar imagens espetaculares que avançam as fronteiras da compreensão científica e da análise de engenharia, mas as compensações se tornam mais difíceis de gerenciar à medida que os usuários ultrapassam os limites da imagem de alta velocidade.

Recentemente, foi feito um avanço técnico que facilita a restrição de sensibilidade de resolução de velocidade. Foi desenvolvido um novo sensor de imagem de alta velocidade que emprega iluminação traseira (BSI) para aumentar a área de superfície do pixel que pode 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 de quadros máxima vezes a resolução máxima de quadros — aumentou três vezes em comparação com as gerações anteriores de sensores de imagem CMOS de alta velocidade. O novo sensor estreou em março de 2021 nas novas câmeras Phantom TMX, a mais rápida das quais pode disparar 76.000 fps em uma resolução total de 1280 × 800 pixels.

Trazendo o BSI para aplicativos de alta velocidade

Até agora, os sensores CMOS usados ​​em câmeras de alta velocidade eram baseados em arquiteturas de iluminação frontal (FSI), nas quais o circuito de metal do sensor localizado acima dos fotodiodos dos pixels está voltado para a fonte de luz. Esse circuito de metal evita que alguma luz incidente atinja os pixels, o que, por sua vez, afeta o fator de preenchimento e reduz a sensibilidade do sensor.

Os sensores BSI são projetados com uma pastilha transportadora grossa presa ao topo da pilha de metal. Esse arranjo permite que o silício a granel seja diluído e virado para expor os diodos voltados para a fonte de luz e a superfície metálica atrás deles. Existem duas vantagens significativas para os sensores BSI em alta velocidade:fator de preenchimento aprimorado, fornecendo uma rota direta para a luz atingir a superfície receptora de luz (consulte a Figura 1), e velocidade de processamento aprimorada, adicionando mais metal ao metal do sensor superfície.

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  Fator de preenchimento aprimorado: Essa eficácia na captura da luz incidente é expressa em termos do fator de preenchimento do sensor – ou a porcentagem da área da superfície do pixel que é capaz de capturar fótons. Com seu circuito de metal bloqueando ou refletindo parte da luz, um sensor FSI típico usado em imagens de alta velocidade terá um fator de preenchimento entre 50 e 60%, parcialmente compensado por uma microlente em sensores FSI atuais típicos. Ao mover o circuito para fora do caminho, este novo sensor BSI tem um fator de preenchimento próximo a 100%.
  
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  Velocidade de processamento aumentada: A velocidade básica da matriz de pixels é limitada pelas constantes de tempo resistor-capacitor (RC), e a adição de metal reduz a resistência e aumenta a velocidade. Nos sensores FSI, a quantidade de metal na frente do sensor é limitada para permitir que a luz alcance os fotodiodos. Essa restrição leva a sobrecarga na velocidade de processamento. À medida que as taxas de quadros aumentam e as resoluções diminuem, a câmera não pode fornecer a taxa de transferência máxima de Gpx/seg devido a perdas de sobrecarga. Os sensores BSI não têm essa restrição e podem ter circuitos metálicos significativamente aumentados, reduzindo substancialmente ou até eliminando a sobrecarga. Essa capacidade permite que um sensor BSI mantenha sua taxa de transferência máxima de Gpx/s, mesmo em combinações de taxa de quadros muito alta/baixa resolução.
  

Os sensores BSI estão disponíveis há mais de 10 anos em uma variedade de telefones celulares e câmeras digitais padrão. Eles ofereceram vantagens comprovadas quando se trata de melhorar o desempenho com pouca luz e o alcance dinâmico dessas câmeras focadas no consumidor. Por que demorou tanto para trazer esses sensores para imagens de alta velocidade? Em uma palavra, tamanho.

Os sensores e pixels usados ​​nas câmeras de alta velocidade são muito maiores do que as câmeras padrão para minimizar as trocas 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 geralmente têm mais de 6 µm e até 28 µm por lado.

O processo de fabricação de sensores BSI é inerentemente mais difícil do que sensores FSI comparáveis ​​e requer etapas de fabricação adicionais. Entre eles está uma etapa de refinamento de wafer para remover o silício a granel, aproximando os fotodiodos da fonte de luz. Há também etapas de processamento adicionais na parte de trás do wafer para recozer a superfície e fornecer contatos elétricos para a parte da frente. O tamanho dos sensores de imagem de alta velocidade apenas agrava 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 pena esperar. Estabelece novos padrões para:

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  Velocidade. A primeira câmera que usa o sensor captura imagens a 76.000 qps em resolução total de 1 megapixel (1280 × 800) e pode atingir velocidades mais de uma ordem de magnitude mais rápidas em resoluções reduzidas e com binning. Por exemplo, a câmera atinge 1,75 milhão de fps com uma resolução de 1280 × 32 e 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.
  
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  Tempos de exposição. O novo sensor suporta tempos de exposição mínimos tão rápidos quanto 95 ns com a opção Export Controlled FAST. Os tempos de exposição rápidos possibilitam a captura de eventos cada vez mais rápidos sem desfoque de movimento, o que pode ser um fator limitante na obtenção de imagens de alta qualidade em aplicações tão amplas quanto citometria e análise de combustão.
  
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  Tamanho do pixel. Para trabalhar em condições de pouca luz, as câmeras de alta velocidade historicamente usaram tamanhos de pixel muito grandes como meio de capturar o maior número possível de fótons. Nosso sensor FSI de ultra-alta velocidade, por exemplo, tem um tamanho de pixel de 28 µm por lado para uma área de 784 µm ² . O novo sensor de imagem de alta velocidade BSI tem um pixel de 18,5 µm por lado, mas sua proficiência na captura de luz o torna tão sensível a três vezes a velocidade quanto os sensores FSI anteriores com pixels de 28 µm. Pixels menores também melhoram a frequência de amostragem (Nyquist), permitindo que o sensor resolva frequências espaciais de lp/mm mais altas antes do alias. Essa capacidade melhora o desempenho do sistema de imagem em citometria de fluxo, velocimetria de imagem de partículas (PIV), correlação de imagem digital (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 do sensor de imagem se baseiam principalmente em sua arquitetura BSI, mas há mais no design. O novo sensor também possui vários recursos de design que aumentam o desempenho além do que o BSI poderia realizar sozinho - particularmente relacionado à capacidade de ler grandes quantidades de dados de imagem em alta velocidade e melhorar o rendimento.

Resolvendo desafios de conversão de analógico para digital. A incorporação de conversores analógico-digitais (ADC) em sensores de imagem CMOS é uma prática padrão, mas a velocidade do sensor BSI exigiu um aumento maciço na quantidade de ADC. Enquanto os sensores de imagem CMOS modernos normalmente têm entre 1.000 e 10.000 ADC incorporados, o novo sensor de alta velocidade BSI tem 40.000 ADC, cada um convertendo a cada 523 ns e gerando uma grande quantidade de dados para descarregar do sensor. Para realizar esta tarefa, 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 do ADC no novo sensor criou desafios de gerenciamento de energia e diafonia elétrica, que foram resolvidos com a ajuda de nosso parceiro de design e produção integrada, Forza Silicon. Embora as simulações sejam frequentemente usadas para prever o desempenho do sensor, esse sensor exigia que a simulação fosse calculada por semanas para fornecer uma previsão.

Forza tem experiência significativa em simplificar simulações e analisar resultados reais versus previstos para modificações rápidas de projeto. No caso do sensor BSI, os testes de projetos iniciais revelaram um nível mais alto de crosstalk ADC nos modos de imagem normal e binning do que nossas ferramentas de simulação haviam previsto, causando artefatos perceptíveis nas imagens. Os engenheiros do Forza descobriram que o crosstalk exibia padrões previsíveis e desenvolveram técnicas de modelagem que ajudaram a eliminar completamente o crosstalk, o que, por sua vez, atenuou os artefatos de imagem.

Blocagem para rendimento máximo. O sensor suporta 2 × 2 binning para maximizar o rendimento em velocidades mais rápidas. Embora não seja comum em sensores de alta velocidade, implementamos o binning em duas câmeras anteriores. Ele ajuda a mitigar as limitações da arquitetura 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 BSI

BSI não é uma tecnologia nova, e tem sido utilizada com grande sucesso em câmeras padrão e de celulares. Ao adaptá-lo à imagem de alta velocidade, foi criado um sensor que ultrapassa os limites da velocidade em condições de falta de luz.

Este artigo foi escrito por Radu Corlan, cientista-chefe, e Kevin Gann, vice-presidente da divisão de P&D, Vision Research (Wayne, NJ); e Loc Truong, VP de Engenharia, Forza Silicon (Pasadena, CA). Para mais informações, entre em contato com o Sr. Gann em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa habilitar o JavaScript para visualizá-lo. ou visite aqui .