L'éclairage arrière devient rapide

Avec des vitesses de plus d'un million d'images par seconde, l'imagerie à grande vitesse est un outil de recherche inestimable capable de capturer les événements les plus fugaces dans les applications scientifiques et techniques. Pourtant, atteindre cette vitesse est assorti de conditions. La plupart des caméras à grande vitesse sont conçues pour atteindre un débit maximal en gigapixels/seconde (Gpx/sec), offert dans un compromis entre la fréquence d'images et la résolution. Par exemple, une caméra de 25 Gpx/sec atteint 25 700 images par seconde (fps) à une résolution de 1280 × 800 pixels et peut atteindre une fréquence d'images plus élevée de 28 500 à une résolution plus petite de 1280 × 720. Les deux combinaisons ont presque le même débit . Des fréquences d'images très élevées telles que 1 million d'ips sont accompagnées de très petites résolutions, ce qui rend plus difficile la vision du sujet.

À mesure que la fréquence d'images augmente, le temps d'exposition d'un pixel à la lumière diminue. À 25 700 ips, chaque image a une exposition maximale de 39 microsecondes (µs), et à 1 million d'ips, le temps d'exposition maximal n'est que de 733 nanosecondes (ns). Les temps d'exposition courts nécessitent des niveaux d'éclairage élevés pour compenser la courte durée pendant laquelle le pixel reçoit la lumière. En fait, de nombreuses applications à grande vitesse manquent de lumière, ce qui signifie que, compte tenu des temps d'exposition très courts à des fréquences d'images élevées, l'éclairage disponible ne fournira pas suffisamment de lumière au capteur d'imagerie de l'appareil photo pour produire une image idéale et peut même être peu pratique. dans certaines applications.

Les opérateurs de caméras à grande vitesse sont devenus aptes à équilibrer leur besoin de vitesse et de résolution avec leur besoin d'éclairage adéquat. Ils sont capables de capturer des images spectaculaires qui repoussent les frontières de la compréhension scientifique et de l'analyse technique, mais les compromis deviennent plus difficiles à gérer à mesure que les utilisateurs repoussent les limites de l'imagerie à grande vitesse.

Récemment, une avancée technique a été réalisée qui allège la contrainte vitesse-résolution-sensibilité. Un nouveau capteur d'image à grande vitesse a été développé qui utilise l'éclairage arrière (BSI) pour augmenter la surface de pixel qui peut capturer des photons. Parce qu'il est plus efficace pour capturer la lumière, le capteur BSI est mieux adapté aux applications nécessitant des fréquences d'images élevées. Dans cette caméra, le débit - fréquence d'images maximale multipliée par la résolution d'image maximale - a été multiplié par trois par rapport aux générations précédentes de capteurs d'imagerie CMOS haute vitesse. Le nouveau capteur a fait ses débuts en mars 2021 dans les nouvelles caméras Phantom TMX, dont la plus rapide peut filmer 76 000 ips à une résolution complète de 1280 × 800 pixels.

Apporter BSI aux applications à haut débit

Jusqu'à présent, les capteurs CMOS utilisés dans les caméras à grande vitesse étaient basés sur des architectures à éclairage frontal (FSI), dans lesquelles le circuit métallique du capteur situé au-dessus des photodiodes des pixels faisait face à la source lumineuse. Ce circuit métallique empêche une partie de la lumière incidente d'atteindre les pixels, ce qui affecte le facteur de remplissage et réduit la sensibilité du capteur.

Les capteurs BSI sont conçus avec une plaquette de support épaisse fixée au sommet de la pile métallique. Cet agencement permet au silicium massif d'être aminci et retourné pour exposer les diodes faisant face à la source lumineuse et la surface métallique derrière elles. Les capteurs BSI à haute vitesse présentent deux avantages significatifs :un facteur de remplissage amélioré, en fournissant un chemin direct à la lumière pour atteindre la surface réceptrice de lumière (voir la figure 1), et une vitesse de traitement améliorée, en ajoutant plus de métal au métal du capteur. surface.

• Facteur de remplissage amélioré : Cette efficacité à capturer la lumière incidente est exprimée en termes de facteur de remplissage du capteur - ou le pourcentage de la surface de pixel qui est capable de capturer des photons. Avec ses circuits métalliques bloquant ou réfléchissant une partie de la lumière, un capteur FSI typique utilisé dans l'imagerie à grande vitesse aura un facteur de remplissage compris entre 50 et 60 %, partiellement compensé par une microlentille dans les capteurs FSI actuels typiques. En déplaçant les circuits à l'écart, ce nouveau capteur BSI a un facteur de remplissage proche de 100 %.

• Vitesse de traitement accrue : La vitesse de base du réseau de pixels est limitée par les constantes de temps résistance-condensateur (RC), et l'ajout de métal réduit la résistance et augmente la vitesse. Dans les capteurs FSI, la quantité de métal à l'avant du capteur est limitée pour permettre à la lumière d'atteindre les photodiodes. Cette contrainte entraîne une surcharge de la vitesse de traitement. À mesure que les fréquences d'images augmentent et que les résolutions diminuent, la caméra ne peut pas fournir un débit Gpx/sec maximal en raison des pertes de surcharge. Les capteurs BSI n'ont pas cette contrainte et peuvent avoir des circuits métalliques considérablement augmentés, réduisant considérablement ou même éliminant les frais généraux. Cette capacité permet à un capteur BSI de maintenir son débit maximal en Gpx/sec même à des combinaisons de fréquences d'images très élevées/basse résolution.

Les capteurs BSI sont disponibles depuis plus de 10 ans dans une variété de téléphones portables et d'appareils photo numériques standard. Ils ont offert des avantages éprouvés lorsqu'il s'agit d'améliorer les performances en basse lumière et la plage dynamique de ces caméras axées sur le consommateur. Pourquoi a-t-il fallu si longtemps pour amener ces capteurs à l'imagerie à grande vitesse ? En un mot, la taille.

Les capteurs et les pixels utilisés dans les caméras haute vitesse sont beaucoup plus grands que les caméras standard pour minimiser les compromis vitesse-résolution-sensibilité. Par exemple, alors qu'un appareil photo de téléphone portable peut avoir un pixel qui mesure moins de 2 µm de côté, les pixels de ce nouveau capteur d'image mesurent généralement plus de 6 µm et jusqu'à 28 µm de côté.

Le processus de fabrication des capteurs BSI est intrinsèquement plus difficile que celui des capteurs FSI comparables et nécessite des étapes de fabrication supplémentaires. Parmi eux se trouve une étape d'amincissement de la plaquette pour éliminer le silicium en vrac, rapprochant les photodiodes de la source lumineuse. Il existe également des étapes de traitement supplémentaires sur la face arrière de la plaquette pour recuire la surface et fournir des contacts électriques sur la face avant. La taille des capteurs d'image à grande vitesse ne fait qu'exacerber les difficultés de fabrication. Les réalités de l'économie des semi-conducteurs ont également rendu difficile le transfert de la technologie des volumes de production élevés d'appareils photo standard aux volumes relativement faibles de capteurs d'imagerie à grande vitesse. Il a fallu du temps pour perfectionner le processus de fabrication et atteindre des rendements pratiques.

Le capteur d'image BSI a valu la peine d'attendre. Il établit de nouvelles normes pour :

• Vitesse. Le premier appareil photo utilisant le capteur capture des images à 76 000 images par seconde à une résolution complète de 1 mégapixel (1280 × 800), et il peut atteindre des vitesses plus d'un ordre de grandeur plus rapides à des résolutions réduites et avec le binning. Par exemple, la caméra atteint 1,75 million d'ips avec une résolution de 1280 × 32 et 640 × 64 pixels. Historiquement, les résolutions associées aux fréquences d'images supérieures à 1 million d'ips étaient trop faibles pour presque toutes les utilisations scientifiques, mais 1280 × 32 représente une résolution vraiment utilisable dans un large éventail d'applications.

• Temps d'exposition. Le nouveau capteur prend en charge des temps d'exposition minimum aussi rapides que 95 ns avec l'option Export Controlled FAST. Les temps d'exposition rapides permettent de capturer des événements toujours plus rapides sans flou de mouvement, ce qui peut être un facteur limitant pour obtenir des images de haute qualité dans des applications aussi variées que la cytométrie et l'analyse de combustion.

• Taille des pixels. Pour travailler dans des conditions de manque de lumière, les caméras à grande vitesse ont historiquement utilisé de très grandes tailles de pixels pour capturer autant de photons que possible. Notre capteur ultra-rapide FSI existant, par exemple, a une taille de pixel de 28 µm par côté pour une surface de 784 µm ² . Le nouveau capteur d'image haute vitesse BSI a un pixel de 18,5 µm par côté, mais sa capacité à capturer la lumière le rend à peu près aussi sensible à trois fois la vitesse que les capteurs FSI précédents avec des pixels de 28 µm. Des pixels plus petits améliorent également la fréquence d'échantillonnage (Nyquist), permettant au capteur de résoudre des fréquences spatiales lp/mm plus élevées avant le crénelage. Cette capacité améliore les performances du système d'imagerie en cytométrie en flux, en vélocimétrie par images de particules (PIV), en corrélation d'images numériques (DIC) et dans d'autres applications à haute vitesse limitées par le pouvoir de résolution du capteur.

Au-delà de la BSI

Les percées en matière de performances associées à la nouvelle conception du capteur d'image reposent principalement sur son architecture BSI, mais il y a plus dans la conception. Le nouveau capteur présente également un certain nombre de caractéristiques de conception qui améliorent les performances au-delà de ce que BSI pourrait accomplir seul, en particulier en ce qui concerne la capacité de lire d'énormes quantités de données d'imagerie à des vitesses élevées et d'améliorer le débit.

Résoudre les problèmes de conversion analogique-numérique. L'intégration de convertisseurs analogique-numérique (ADC) sur les capteurs d'image CMOS est une pratique courante, mais la vitesse du capteur BSI a nécessité une augmentation massive de la quantité d'ADC. Alors que les capteurs d'image CMOS modernes ont généralement entre 1 000 et 10 000 ADC intégrés, le nouveau capteur haute vitesse BSI a 40 000 ADC, chacun convertissant toutes les 523 ns et générant une grande quantité de données à décharger du capteur. Pour accomplir cette tâche, il intègre 160 sorties série haute vitesse fonctionnant à plus de 5 Gbps. Cette technologie est courante sur les processeurs et les FPGA, mais nouvelle sur un capteur d'imagerie à grande vitesse.

La densité d'ADC sur le nouveau capteur a créé des problèmes de gestion de l'alimentation et de diaphonie électrique, qui ont été résolus avec l'aide de notre partenaire de conception et de production intégrée, Forza Silicon. Alors que les simulations sont souvent utilisées pour prédire les performances des capteurs, ce capteur a nécessité que la simulation calcule pendant des semaines pour fournir une prédiction.

Forza possède une expérience significative dans la simplification des simulations et l'analyse des résultats réels par rapport aux résultats prévus pour des modifications de conception rapides. Dans le cas du capteur BSI, les tests des premières conceptions ont révélé un niveau de diaphonie ADC plus élevé dans les modes d'imagerie normale et de regroupement que nos outils de simulation ne l'avaient prédit, provoquant des artefacts notables dans les images. Les ingénieurs de Forza ont découvert que la diaphonie présentait des modèles prévisibles et ont développé des techniques de modélisation qui ont permis d'éliminer complètement la diaphonie, ce qui à son tour atténuait les artefacts d'imagerie.

Binning pour un débit maximal. Le capteur prend en charge le binning 2 × 2 pour maximiser le débit à des vitesses plus rapides. Bien que cela ne soit pas courant dans les capteurs à grande vitesse, nous avons implémenté le regroupement dans deux caméras précédentes. Il aide à atténuer les limitations de l'architecture ADC de colonne du capteur, permettant des vitesses plus rapides que la simple diminution de la dimension y. Cette approche est légèrement différente du binning tel qu'il est appliqué dans les caméras CCD, où il est principalement utilisé pour augmenter la sensibilité. Dans ce cas, il a été utilisé pour augmenter la vitesse.

Différence BSI

Le BSI n'est pas une nouvelle technologie, et il a été utilisé avec beaucoup de succès dans les caméras standard et les téléphones portables. En l'adaptant à l'imagerie à grande vitesse, un capteur a été créé qui repousse les limites de la vitesse dans des conditions de manque de lumière.

Cet article a été rédigé par Radu Corlan, scientifique en chef, et Kevin Gann, vice-président de la division R&D, Vision Research (Wayne, NJ) ; et Loc Truong, vice-président de l'ingénierie, Forza Silicon (Pasadena, Californie). Pour plus d'informations, contactez M. Gann à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la voir., ou visitez ici .