Illumination arrière rapide : capturer plus d'un million d'images par seconde

Avec des vitesses dépassant le million d'images par seconde, l'imagerie ultra-rapide constitue un outil de recherche inestimable, capable de saisir les événements les plus fugaces dans les applications scientifiques et techniques. Pourtant, atteindre une telle vitesse s'accompagne de contraintes. La plupart des caméras ultra-rapides sont conçues pour atteindre un débit maximal en gigapixels par seconde (Gpx/s), offrant un compromis entre fréquence d'images et résolution. Par exemple, une caméra de 25 Gpx/s atteint 25 700 images par seconde (ips) à une résolution de 1280 × 800 pixels, et peut atteindre une fréquence plus élevée de 28 500 ips à une résolution réduite de 1280 × 720. Ces deux combinaisons offrent un débit presque identique. Les fréquences d'images très élevées, comme 1 million d'ips, s'accompagnent de résolutions très faibles, ce qui rend l'observation du sujet plus difficile.

Le défi de l'exposition et de l'éclairage

À mesure que les fréquences d'images augmentent, le temps d'exposition dont dispose chaque pixel pour capter la lumière diminue. À 25 700 ips, chaque image a une exposition maximale de 39 microsecondes (µs), tandis qu'à 1 million d'ips, le temps d'exposition maximal n'est que de 733 nanosecondes (ns). Ces temps d'exposition extrêmement courts exigent des niveaux d'éclairage très élevés pour compenser le court laps de temps pendant lequel le pixel reçoit la lumière. En réalité, de nombreuses applications ultra-rapides sont « privées de lumière » : compte tenu des temps d'exposition très courts aux hautes fréquences, l'éclairage disponible ne fournit pas assez de lumière au capteur d'imagerie pour produire une image idéale, et peut même s'avérer impraticable dans certaines applications.

Les opérateurs de caméras ultra-rapides sont devenus experts dans l'art d'équilibrer leurs besoins en vitesse, en résolution et en éclairage adéquat. Ils parviennent à capturer des images spectaculaires qui font progresser la compréhension scientifique et l'analyse technique, mais les compromis deviennent plus difficiles à gérer à mesure que les utilisateurs repoussent les limites de l'imagerie ultra-rapide.

Une percée technologique : l'illumination arrière (BSI)

Récemment, une percée technique a permis d'assouplir la contrainte vitesse-résolution-sensibilité. Un nouveau capteur d'image ultra-rapide a été développé, utilisant l'illumination arrière (BSI - Backside Illumination) pour augmenter la surface du pixel capable de capturer les photons. Plus efficace pour capter la lumière, le capteur BSI est mieux adapté aux applications nécessitant des fréquences d'images élevées. Dans cette caméra, le débit — fréquence d'image maximale multipliée par la résolution maximale — a été multiplié par trois par rapport aux générations précédentes de capteurs CMOS ultra-rapides. Le nouveau capteur a fait ses débuts en mars 2021 dans les nouvelles caméras Phantom TMX, dont la plus rapide peut filmer à 76 000 ips à une résolution complète de 1280 × 800 pixels.

Apporter la technologie BSI à l'imagerie ultra-rapide

Jusqu'à présent, les capteurs CMOS utilisés dans les caméras ultra-rapides étaient basés sur des architectures à illumination frontale (FSI - Frontside Illuminated), où le circuit métallique du capteur situé au-dessus des photodiodes des pixels fait 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 un wafer support épais fixé au sommet de la pile métallique. Cette disposition permet d'amincir le silicium bulk et de le retourner pour exposer les diodes face à la source lumineuse et la surface métallique derrière elles. Les capteurs BSI offrent deux avantages majeurs en imagerie ultra-rapide : un facteur de remplissage amélioré, en offrant un chemin direct pour que la lumière atteigne la surface photosensible (voir Figure 1), et une vitesse de traitement accrue, en ajoutant plus de métal à la surface métallique du capteur.

• Facteur de remplissage amélioré : Cette efficacité à capturer la lumière incidente s'exprime en termes de facteur de remplissage du capteur — soit le pourcentage de la surface du pixel capable de capturer les photons. Avec son circuit métallique bloquant ou réfléchissant une partie de la lumière, un capteur FSI typique utilisé en imagerie ultra-rapide aura un facteur de remplissage entre 50 et 60 %, partiellement compensé par une microlentille dans les capteurs FSI actuels. En déplaçant le circuit hors du chemin, ce nouveau capteur BSI atteint 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-capacité (RC), et l'ajout de métal réduit la résistance et augmente la vitesse. Dans les capteurs FSI, la quantité de métal sur la face avant du capteur est limitée pour laisser passer la lumière vers les photodiodes. Cette contrainte entraîne une surcharge (overhead) dans la vitesse de traitement. À mesure que les fréquences d'images augmentent et que les résolutions diminuent, la caméra ne peut pas fournir le débit maximal en Gpx/s en raison des pertes liées à cette surcharge. Les capteurs BSI n'ont pas cette contrainte et peuvent avoir un circuit métallique considérablement accru, réduisant substantiellement voire éliminant la surcharge. Cette capacité permet à un capteur BSI de maintenir son débit maximal en Gpx/s même aux combinaisons de fréquence d'images très élevée/résolution très faible.

Pourquoi tant de temps pour adopter le BSI en imagerie ultra-rapide ?

Les capteurs BSI sont disponibles depuis plus de 10 ans dans une variété de téléphones portables et d'appareils photo numériques standards. Ils ont offert des avantages prouvés pour améliorer les performances en basse lumière et la plage dynamique de ces caméras grand public. Pourquoi a-t-il fallu si longtemps pour amener ces capteurs à l'imagerie ultra-rapide ? En un mot : la taille.

Les capteurs et pixels utilisés dans les caméras ultra-rapides sont beaucoup plus grands que ceux des caméras standards, afin de minimiser les compromis vitesse-résolution-sensibilité. Par exemple, alors qu'une caméra de téléphone peut avoir un pixel mesurant moins de 2 µm par côté, les pixels de ce nouveau capteur d'image mesurent généralement plus de 6 µm et jusqu'à 28 µm par 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 elles, une étape d'amincissement du wafer par l'arrière pour éliminer le silicium bulk, rapprochant ainsi les photodiodes de la source lumineuse. Il y a aussi des étapes de traitement supplémentaires sur la face arrière du wafer pour recuire la surface et fournir des contacts électriques vers la face avant. La taille des capteurs d'image ultra-rapides ne fait qu'aggraver les difficultés de fabrication. Les réalités de l'économie des semi-conducteurs ont également rendu difficile le transfert de la technologie depuis les volumes de production élevés des caméras standards vers les volumes comparativement faibles des capteurs d'imagerie ultra-rapide. Il a fallu du temps pour perfectionner le processus de fabrication et atteindre des rendements pratiques.

Le capteur BSI : de nouvelles normes de performance

Le capteur d'image BSI valait l'attente. Il établit de nouvelles normes pour :

• Vitesse. La première caméra utilisant ce capteur capture des images à 76 000 ips à une résolution complète de 1 mégapixel (1280 × 800), et peut atteindre des vitesses plus d'un ordre de grandeur supérieures à des résolutions réduites et avec le binning. Par exemple, la caméra culmine à 1,75 million d'ips avec une résolution de 1280 × 32 et un binning de 640 × 64 pixels. Historiquement, les résolutions associées à des fréquences d'images supérieures à 1 million d'ips étaient trop faibles pour presque toutes les utilisations scientifiques, mais 1280 × 32 représente une résolution réellement utilisable dans une large gamme d'applications.

• Temps d'exposition. Le nouveau capteur prend en charge des temps d'exposition minimaux aussi rapides que 95 ns avec l'option FAST contrôlée à l'exportation. Ces 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 en flux et l'analyse de combustion.

• Taille des pixels. Pour fonctionner dans des conditions de pénurie de lumière, les caméras ultra-rapides ont historiquement utilisé des tailles de pixels très grandes comme moyen de capter le plus de photons possible. Notre capteur FSI ultra-rapide existant, par exemple, a une taille de pixel de 28 µm par côté pour une surface de 784 µm². Le nouveau capteur d'image ultra-rapide BSI a un pixel de 18,5 µm par côté, mais sa maîtrise de la capture de lumière le rend environ aussi sensible à trois fois la vitesse que les capteurs FSI antérieurs 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 plus élevées en lp/mm avant l'aliasing. Cette capacité améliore les performances du système d'imagerie en cytométrie en flux, vélocimétrie par image de particules (PIV), corrélation d'images numériques (DIC) et autres applications ultra-rapides limitées par le pouvoir de résolution du capteur.

Au-delà du BSI

Les percées de performance associées au nouveau design de capteur d'image reposent principalement sur son architecture BSI, mais il y a plus. Le nouveau capteur possède également un certain nombre de caractéristiques de conception qui boostent les performances au-delà de ce que le BSI pourrait accomplir seul — particulièrement en ce qui concerne la capacité à lire les quantités massives de données d'imagerie à haute vitesse et à améliorer le débit.

Résoudre les défis de la conversion analogique-numérique

L'intégration de convertisseurs analogique-numérique (ADC - Analog-to-Digital Converters) sur les capteurs d'image CMOS est une pratique standard, mais la vitesse du capteur BSI a exigé une augmentation massive du nombre d'ADC. Alors que les capteurs d'image CMOS modernes ont généralement entre 1 000 et 10 000 ADC intégrés, le nouveau capteur ultra-rapide BSI en compte 40 000, 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 CPU et FPGA, mais nouvelle sur un capteur d'imagerie ultra-rapide.

La densité d'ADC sur le nouveau capteur a créé des défis 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. Bien que les simulations soient souvent utilisées pour prédire les performances des capteurs, ce capteur a nécessité des simulations durant des semaines pour fournir une prédiction.

Forza possède une expérience significative dans la simplification des simulations et l'analyse des résultats réels versus prédits pour des modifications de conception rapides. Dans le cas du capteur BSI, les tests des premiers designs ont révélé un niveau de diaphonie d'ADC plus élevé, tant en imagerie normale qu'en mode binning, que ne l'avaient prédit nos outils de simulation, causant des artefacts visibles dans les images. Les ingénieurs de Forza ont découvert que la diaphonie présentait des motifs prévisibles et ont développé des techniques de modélisation qui ont permis d'éliminer complètement la diaphonie, ce qui a à son tour atténué les artefacts d'imagerie.

Binning pour un débit maximal

Le capteur prend en charge le binning 2 × 2 pour maximiser le débit aux vitesses les plus rapides. Bien que peu courant dans les capteurs ultra-rapides, nous avons implémenté le binning dans deux caméras précédentes. Il aide à atténuer les limitations de l'architecture ADC en colonnes du capteur, permettant des vitesses plus rapides que la simple diminution de la dimension y. Cette approche est subtilement différente du binning tel qu'appliqué dans les caméras CCD, où il est utilisé principalement pour augmenter la sensibilité. Dans ce cas, il a été utilisé pour augmenter la vitesse.

La différence BSI

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

Cet article a été rédigé par Radu Corlan, Chief Scientist, et Kevin Gann, Division VP of R&D, Vision Research (Wayne, NJ) ; et Loc Truong, VP of Engineering, Forza Silicon (Pasadena, CA). Pour plus d'informations, contactez M. Gann à cette adresse email protégée, ou visitez le site web.