Pencahayaan Belakang Cepat: Mengambil Gambar Lebih dari 1 Juta Frame per Detik
Pengcitian berkecepatan tinggi dengan kecepatan lebih dari satu juta frame per detik adalah alat penelitian yang tak ternilai, mampu menangkap peristiwa sesaat dalam aplikasi ilmiah dan teknis. Namun, mencapai kecepatan ini datang dengan kompromi. Sebagian besar kamera kecepatan tinggi dirancang untuk mencapai throughput maksimum gigapiksel per detik (Gpx/detik), dengan pertukaran antara kecepatan frame dan resolusi. Misalnya, kamera 25 Gpx/detik mencapai 25.700 frame per detik (fps) pada resolusi 1280 × 800 piksel, dan dapat mencapai kecepatan frame lebih tinggi yaitu 28.500 pada resolusi yang lebih kecil 1280 × 720. Keduanya memiliki hampir throughput yang sama. Kecepatan frame sangat tinggi seperti 1 juta fps diiringi dengan resolusi yang sangat kecil, sehingga semakin sulit untuk melihat subjek.
Semakin meningkatnya kecepatan frame, waktu paparan piksel terhadap cahaya semakin berkurang. Pada 25.700 fps, setiap frame memiliki waktu paparan maksimal 39 mikrodetik (µs), sedangkan pada 1 juta fps, waktu paparan maksimal hanya 733 nanodetik (ns). Waktu paparan yang singkat memerlukan tingkat iluminasi yang tinggi untuk mengkompensasi waktu singkat piksel menerima cahaya. Faktanya, banyak aplikasi kecepatan tinggi mengalami kekurangan cahaya, artinya dengan waktu paparan yang sangat singkat pada kecepatan frame tinggi, iluminasi yang tersedia tidak cukup menyediakan cahaya ke sensor citra kamera untuk menghasilkan citra ideal dan bahkan tidak praktis dalam aplikasi tertentu.
Operator kamera kecepatan tinggi telah mahir dalam menyeimbangkan kebutuhan akan kecepatan dan resolusi dengan kebutuhan akan iluminasi yang memadai. Mereka mampu menangkap citra spektakel yang mendorong batas pemahaman ilmiah dan analisis teknis, namun pertukaran semakin sulit dikelola seiring dengan pengguna mendorong batas pengcitian berkecepatan tinggi.
Baru-baru ini, terobosan teknis telah dibuat yang meredakan keterbatasan kecepatan-resolusi-sensitivitas. Sensor citra kecepatan tinggi baru telah dikembangkan yang menggunakan pencahayaan belakang (BSI) untuk meningkatkan luas permukaan piksel yang dapat menangkap foton. Karena lebih efektif dalam menangkap cahaya, sensor BSI lebih cocok untuk aplikasi yang memerlukan kecepatan frame tinggi. Dalam kamera ini, throughput — kecepatan frame maksimal kali resolusi frame maksimal — meningkat tiga kali lipat dibandingkan generasi sebelumnya sensor citra CMOS kecepatan tinggi. Sensor baru diperkenalkan pada Maret 2021 dalam kamera Phantom TMX baru, yang tercepatnya dapat mengambil gambar 76.000 fps pada resolusi penuh 1280 × 800 piksel.
Membawa BSI ke Aplikasi Kecepatan Tinggi
Sampai saat ini, sensor CMOS yang digunakan dalam kamera kecepatan tinggi didasarkan pada arsitektur pencahayaan depan (FSI), di mana rangkaian logika sensor yang berada di atas fotodioda piksel menghadap sumber cahaya. Rangkaian logika ini mencegah sebagian cahaya insiden mencapai piksel, yang berakibat pada pengurangan fill factor dan sensitivitas sensor.
Sensor BSI dirancang dengan wafer pembalut tebal yang ditempel di atas tumpukan logika. Pengaturan ini memungkinkan silikon massa untuk dilapiskan dan dibalikkan untuk Mengekspos dioda yang menghadap sumber cahaya dan permukaan logika di belakangnya. Ada dua keuntungan signifikan dari sensor BSI dalam kecepatan tinggi: fill factor yang ditingkatkan, dengan memberikan rute langsung bagi cahaya untuk mencapai permukaan penerima cahaya (lihat Gambar 1), dan kecepatan pemrosesan yang ditingkatkan, dengan menambahkan lebih banyak logika ke permukaan logika sensor.
Fill factor yang ditingkatkan: Efektivitas ini dalam menangkap cahaya insiden diekspresikan dalam istilah fill factor sensor — atau persentase luas permukaan piksel yang mampu menangkap foton. Dengan rangkaian logika yang memblokir atau memantulkan sebagian cahaya, sensor FSI yang digunakan dalam pengcitian kecepatan tinggi biasanya memiliki fill factor antara 50 dan 60%, sebagian dikompensasi oleh mikrolensa dalam sensor FSI generasi saat ini. Dengan memindahkan rangkaian logika dari jalur, sensor BSI baru ini memiliki fill factor mendekati 100%.
Kecepatan pemrosesan yang meningkat: Kecepatan dasar array piksel dibatasi oleh konstanta waktu resistor-kapasitor (RC), dan penambahan logika mengurangi resistensi serta meningkatkan kecepatan. Dalam sensor FSI, jumlah logika di depan sensor dibatasi untuk memungkinkan cahaya mencapai fotodioda. Batasan ini mengakibatkan overhead dalam kecepatan pemrosesan. Seiring meningkatnya kecepatan frame dan menurunnya resolusi, kamera tidak dapat menyediakan throughput Gpx/detik maksimal karena kerugian dari overhead. Sensor BSI tidak memiliki batasan ini dan dapat memiliki rangkaian logika yang signifikan ditingkatkan, mengurangi secara besar-besaran atau bahkan menghilangi overhead. Kemampuan ini memungkinkan sensor BSI untuk mempertahankan throughput Gpx/detik maksimal bahkan pada kombinasi kecepatan frame sangat tinggi/resolusi rendah.
Sensor BSI telah tersedia selama lebih dari 10 tahun dalam berbagai kamera seluler dan kamera digital standar. Mereka telah menawarkan keuntungan yang terbukti ketika datang untuk meningkatkan kinerja cahaya rendah dan rentang dinamis dari kamera yang difokuskan pada konsumen ini. Mengapa memakan waktu begitu lama untuk membawa sensor ini ke pengcitian kecepatan tinggi? Dengan satu kata, ukuran.
Sensor dan piksel yang digunakan dalam kamera kecepatan tinggi jauh lebih besar dari kamera standar untuk meminimalkan pertukaran kecepatan-resolusi-sensitivitas. Misalnya, sementara kamera ponsel mungkin memiliki piksel yang berukuran kurang dari 2 µm per sisi, piksel pada sensor citra baru ini biasanya lebih dari 6 µm dan hingga 28 µm per sisi.
Proses manufaktur untuk sensor BSI secara inherent lebih sulit dibandingkan sensor FSI yang sebanding dan memerlukan langkah manufaktur tambahan. Di antaranya adalah langkah penipisan wafer belakang untuk menghapus silikon massa, mendekatkan fotodioda ke sumber cahaya. Ada juga langkah pemrosesan tambahan di sisi belakang wafer untuk menanakan permukaan dan menyediakan kontak listrik ke sisi depan. Ukuran sensor citra kecepatan tinggi justru memperburik kesulitan manufaktur. Realitas ekonomi semikonduktor juga membuat sulit untuk mentransfer teknologi dari volume produksi tinggi kamera standar ke volume yang relatif rendah sensor citra kecepatan tinggi. Membutuhkan waktu untuk menyempurnakan proses manufaktur dan mencapai hasil praktis.
Sensor citra BSI telah layak untuk ditunggu. Ia menetapkan standar baru untuk:
Kecepatan: Kamera pertama yang menggunakan sensor ini menangkap citra pada 76.000 fps pada resolusi penuh 1-megapiksel (1280 × 800), dan dapat mencapai kecepatan lebih dari satu orde magnitudo lebih cepat pada resolusi yang dikurangi dan dengan binning. Misalnya, kamera mencapai puncak pada 1,75 juta fps dengan resolusi 1280 × 32 dan 640 × 64 piksel binned. Secara historis, resolusi yang terkait dengan kecepatan frame di atas 1 juta fps terlalu rendah untuk hampir semua penggunaan ilmiah, tetapi 1280 × 32 mewakili resolusi yang benar-benar dapat digunakan dalam berbagai aplikasi.
Waktu paparan: Sensor baru mendukung waktu paparan minimal hingga 95 ns dengan opsi FAST yang dikontrol Ekspor. Waktu paparan yang cepat memungkinkan untuk menangkap peristiwa yang semakin cepat tanpa blur gerakan, yang dapat menjadi faktor pembatas dalam mendapatkan citra berkualitas tinggi dalam aplikasi yang bervariasi seperti sitometria dan analisis pembakaran.
Ukuran piksel: Untuk bekerja dalam kondisi kekurangan cahaya, kamera kecepatan tinggi secara historis menggunakan ukuran piksel yang sangat besar sebagai cara untuk menangkap sebanyak mungkin foton. Sensor ultra-kecepatan tinggi FSI yang sudah ada, misalnya, memiliki ukuran piksel 28 µm per sisi untuk luas 784 µm2. Sensor citra kecepatan tinggi BSI baru memiliki piksel 18,5 µm per sisi, tetapi kemahirannya dalam menangkap cahaya membuatnya hampir sama sensitif pada tiga kali kecepatan dibandingkan sensor FSI sebelumnya dengan piksel 28 µm. Piksel yang lebih kecil juga meningkatkan frekuensi sampel (Nyquist), memungkinkan sensor untuk menyelesaikan frekuensi spasial lp/mm yang lebih tinggi sebelum aliasing. Kemampuan ini meningkatkan kinerja sistem pengcitian dalam sitometria aliran, velocimetri citra partikel (PIV), korelasi citra digital (DIC) dan aplikasi kecepatan tinggi lainnya yang dibatasi oleh kekuatan resolusi sensor.
Di Luar BSI
Ketercapaian kinerja yang terkait dengan desain sensor citra baru terutama didasarkan pada arsitektur BSI-nya, tetapi ada lebih banyak dalam desain. Sensor baru juga memiliki sejumlah fitur desain yang meningkatkan kinerja di luar apa yang dapat dicapai BSI sendiri — khususnya terkait dengan kemampuan untuk membaca sejumlah besar data pengcitian pada kecepatan tinggi dan meningkatkan throughput.
Mengatasi tantangan konversi analog-ke-digital. Memasang konverter analog-ke-digital (ADC) pada sensor citra CMOS adalah praktik standar, tetapi kecepatan sensor BSI memerlukan peningkatan besar dalam jumlah ADC. Sementara sensor citra CMOS modern biasanya memiliki antara 1.000 dan 10.000 ADC yang tersemat, sensor kecepatan tinggi BSI baru memiliki 40.000 ADC, masing-masing mengonversi setiap 523 ns dan menghasilkan sejumlah besar data untuk dimuat dari sensor. Untuk menyelesaikan tugas ini, ia menyatukan 160 output serial kecepatan tinggi yang beroperasi pada lebih dari 5 Gbps. Teknologi ini umum pada CPU dan FPGA tetapi baru pada sensor citra kecepatan tinggi.
Kepadatan ADC pada sensor baru memunculkan tantangan manajemen daya dan crosstalk listrik, yang diatasi dengan bantuan mitra desain dan produksi terintegrasi kami, Forza Silicon. Meskipun simulasi sering digunakan dalam memprediksi kinerja sensor, sensor ini memerlukan simulasi untuk menghitung selama minggu untuk memberikan prediksi.
Forza memiliki pengalaman signifikan dalam menyederhanakan simulasi dan menganalisis hasil aktual versus prediksi untuk modifikasi desain yang cepat. Dalam kasus sensor BSI, pengujian desain awal mengungkapkan tingkat crosstalk ADC yang lebih tinggi baik dalam mode pengcitian normal maupun binning dibandingkan yang diprediksi oleh alat simulasi kami, yang menyebabkan artefak yang terlihat pada citra. Insinyur Forza menemukan bahwa crosstalk menunjukkan pola yang dapat diprediksi dan mengembangkan teknik pemodelan yang membantu menghilangkan crosstalk sepenuhnya, yang berakibat mengurangi artefak pengcitian.
Binning untuk throughput maksimal. Sensor mendukung binning 2 × 2 untuk memaksimalkan throughput pada kecepatan lebih tinggi. Meskipun tidak umum dalam sensor kecepatan tinggi, kami telah menerapkan binning dalam dua kamera sebelumnya. Ia membantu mengatasi keterbatasan arsitektur ADC kolom sensor, memungkinkan kecepatan yang lebih cepat daripada sekadar mengurangi dimensi y. Pendekatan ini berbeda secara halus dari binning seperti yang diterapkan dalam kamera CCD, di mana ia digunakan terutama untuk meningkatkan sensitivitas. Dalam hal ini, ia digunakan untuk meningkatkan kecepatan.
Perbedaan BSI
BSI bukan teknologi baru, dan telah digunakan dengan sukses dalam kamera standar dan ponsel. Dengan menyesuaikannya untuk pengcitian kecepatan tinggi, sensor telah dicipta yang mendorong batas kecepatan dalam kondisi kekurangan cahaya.
Artikel ini ditulis oleh Radu Corlan, Ilmuwan Utama, dan Kevin Gann, Divisi VP R&D, Vision Research (Wayne, NJ); dan Loc Truong, VP Teknik, Forza Silicon (Pasadena, CA). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Bapak Gann di [email dilindungi], atau kunjungi di sini .
