Penerangan Bagian Belakang Menjadi Cepat

Dengan kecepatan lebih dari 1 juta frame per detik, pencitraan berkecepatan tinggi adalah alat penelitian yang sangat berharga yang mampu menangkap peristiwa paling cepat dalam aplikasi ilmiah dan teknik. Namun, mencapai kecepatan ini datang dengan ikatan. Sebagian besar kamera berkecepatan tinggi dirancang untuk mencapai throughput gigapiksel/detik (Gpx/dtk) maksimum, yang ditawarkan dalam pertukaran antara kecepatan bingkai dengan resolusi. Misalnya, kamera 25 Gpx/dtk mencapai 25.700 frame per detik (fps) pada resolusi 1280 × 800 piksel dan dapat mencapai kecepatan bingkai yang lebih tinggi 28.500 pada resolusi yang lebih kecil yaitu 1280 × 720. Kedua kombinasi tersebut memiliki throughput yang hampir sama . Kecepatan bingkai yang sangat tinggi seperti 1 juta fps disertai dengan resolusi yang sangat kecil, sehingga lebih menantang untuk melihat subjeknya.

Saat kecepatan bingkai meningkat, waktu pemaparan piksel terhadap cahaya berkurang. Pada 25.700 fps, setiap frame memiliki eksposur maksimum 39 mikrodetik (µs), dan pada 1 juta fps, waktu eksposur maksimum hanya 733 nanodetik (ns). Waktu pemaparan yang singkat memerlukan tingkat penerangan yang tinggi untuk mengimbangi waktu singkat piksel menerima cahaya. Faktanya, banyak aplikasi berkecepatan tinggi kekurangan cahaya, yang berarti bahwa, mengingat waktu pemaparan yang sangat singkat pada kecepatan bingkai tinggi, penerangan yang tersedia tidak akan memberikan cukup cahaya ke sensor pencitraan kamera untuk menghasilkan gambar yang ideal dan bahkan mungkin tidak praktis. dalam aplikasi tertentu.

Operator kamera berkecepatan tinggi menjadi mahir dalam menyeimbangkan kebutuhan mereka akan kecepatan dan resolusi dengan kebutuhan mereka akan penerangan yang memadai. Mereka mampu menangkap gambar spektakuler yang memajukan batas pemahaman ilmiah dan analisis rekayasa, tetapi pertukaran menjadi lebih sulit untuk dikelola karena pengguna mendorong batas-batas pencitraan berkecepatan tinggi.

Baru-baru ini, terobosan teknis dibuat yang memudahkan batasan sensitivitas resolusi-kecepatan. Sebuah sensor gambar berkecepatan 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 membutuhkan frame rate tinggi. Pada kamera ini, throughput — kecepatan bingkai maksimum dikalikan resolusi bingkai maksimum — meningkat tiga kali lipat dibandingkan dengan sensor pencitraan CMOS kecepatan tinggi generasi sebelumnya. Sensor baru memulai debutnya pada Maret 2021 di kamera Phantom TMX baru, yang tercepat dapat memotret 76.000 fps pada resolusi penuh 1280 × 800 piksel.

Membawa BSI ke Aplikasi Berkecepatan Tinggi

Sampai saat ini, sensor CMOS yang digunakan pada kamera berkecepatan tinggi didasarkan pada arsitektur iluminasi sisi depan (FSI), di mana sirkuit logam sensor yang berada di atas fotodioda piksel menghadap ke sumber cahaya. Sirkuit logam ini mencegah beberapa cahaya masuk mencapai piksel, yang pada gilirannya memengaruhi faktor pengisian dan mengurangi sensitivitas sensor.

Sensor BSI dirancang dengan wafer pembawa tebal yang dipasang di bagian atas tumpukan logam. Susunan ini memungkinkan silikon curah ditipiskan dan dibalik untuk mengekspos dioda yang menghadap sumber cahaya dan permukaan logam di belakangnya. Ada dua keuntungan signifikan untuk sensor BSI dalam kecepatan tinggi:peningkatan faktor pengisian, dengan menyediakan rute langsung cahaya untuk mencapai permukaan penerima cahaya (lihat Gambar 1), dan peningkatan kecepatan pemrosesan, dengan menambahkan lebih banyak logam ke logam sensor. permukaan.

• Faktor pengisian yang ditingkatkan: Efektivitas dalam menangkap cahaya yang datang dinyatakan dalam faktor pengisian sensor — atau persentase luas permukaan piksel yang mampu menangkap foton. Dengan sirkuit logamnya memblokir atau memantulkan sebagian cahaya, sensor FSI khas yang digunakan dalam pencitraan berkecepatan tinggi akan memiliki faktor pengisian antara 50 dan 60%, sebagian dikompensasi oleh lensa mikro pada sensor FSI arus tipikal. Dengan memindahkan sirkuit, sensor BSI baru ini memiliki faktor pengisian hampir 100%.

• Peningkatan kecepatan pemrosesan: Kecepatan dasar susunan piksel dibatasi oleh konstanta waktu resistor-kapasitor (RC), dan menambahkan logam mengurangi hambatan dan meningkatkan kecepatan. Pada sensor FSI, jumlah logam di bagian depan sensor dibatasi untuk memungkinkan cahaya mencapai fotodioda. Kendala ini menyebabkan overhead dalam kecepatan pemrosesan. Saat kecepatan bingkai meningkat dan resolusi menurun, kamera tidak dapat menyediakan throughput Gpx/dtk maksimum karena kehilangan overhead. Sensor BSI tidak memiliki batasan ini dan dapat meningkatkan sirkuit logam secara signifikan, secara substansial mengurangi atau bahkan menghilangkan overhead. Kemampuan ini memungkinkan sensor BSI mempertahankan throughput Gpx/dtk maksimumnya bahkan pada kombinasi frekuensi gambar/resolusi rendah yang sangat tinggi.

Sensor BSI telah tersedia selama lebih dari 10 tahun di berbagai ponsel dan kamera digital standar. Mereka telah menawarkan keunggulan yang telah terbukti dalam hal meningkatkan kinerja cahaya rendah dan jangkauan dinamis dari kamera yang berfokus pada konsumen ini. Mengapa butuh waktu lama untuk membawa sensor ini ke pencitraan berkecepatan tinggi? Singkatnya, ukuran.

Sensor dan piksel yang digunakan dalam kamera kecepatan tinggi jauh lebih besar daripada kamera standar untuk meminimalkan pertukaran sensitivitas resolusi-kecepatan. Misalnya, meskipun kamera ponsel mungkin memiliki piksel yang berukuran kurang dari 2 m per sisi, piksel pada sensor gambar baru ini biasanya berukuran lebih dari 6 m dan sebanyak 28 m per sisi.

Proses manufaktur untuk sensor BSI secara inheren lebih sulit daripada sensor FSI yang sebanding dan membutuhkan langkah-langkah manufaktur tambahan. Diantaranya adalah langkah backthinning wafer untuk menghilangkan silikon curah, membawa fotodioda lebih dekat ke sumber cahaya. Ada juga langkah pemrosesan tambahan di sisi belakang wafer untuk melapisi permukaan dan memberikan kontak listrik ke sisi depan. Ukuran sensor gambar berkecepatan tinggi hanya memperburuk kesulitan manufaktur. Realitas ekonomi semikonduktor juga mempersulit untuk mentransfer teknologi dari volume produksi tinggi kamera standar ke volume yang relatif rendah dari sensor pencitraan kecepatan tinggi. Butuh waktu untuk menyempurnakan proses manufaktur dan mencapai hasil yang praktis.

Sensor gambar BSI layak untuk ditunggu. Ini menetapkan standar baru untuk:

• Kecepatan. Kamera pertama yang menggunakan sensor menangkap gambar pada 76.000 fps pada resolusi 1 megapiksel (1280 × 800) penuh, dan dapat mencapai kecepatan lebih dari urutan besarnya lebih cepat pada resolusi yang dikurangi dan dengan binning. Misalnya, kamera mencapai 1,75 juta fps dengan resolusi 1280 × 32 dan 640 × 64-piksel binned. Secara historis, resolusi yang terkait dengan kecepatan bingkai 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 pemaparan. Sensor baru ini mendukung waktu eksposur minimum secepat 95 ns dengan opsi Export Controlled FAST. Waktu eksposur yang cepat memungkinkan untuk menangkap peristiwa yang semakin cepat tanpa keburaman gerakan, yang dapat menjadi faktor pembatas dalam memperoleh gambar berkualitas tinggi dalam berbagai aplikasi seperti analisis sitometri dan pembakaran.

• Ukuran piksel. Untuk bekerja dalam kondisi kekurangan cahaya, kamera berkecepatan tinggi secara historis menggunakan ukuran piksel yang sangat besar sebagai sarana untuk menangkap foton sebanyak mungkin. Sensor kecepatan ultra-tinggi FSI kami yang ada, misalnya, memiliki ukuran piksel 28 m per sisi untuk area 784 m ² . Sensor gambar kecepatan tinggi BSI yang baru memiliki 18,5 m per piksel samping, tetapi kemampuannya dalam menangkap cahaya membuatnya sama sensitifnya dengan kecepatan tiga kali lipat dari sensor FSI sebelumnya dengan piksel 28 m. Piksel yang lebih kecil juga meningkatkan frekuensi pengambilan sampel (Nyquist), memungkinkan sensor untuk menyelesaikan frekuensi spasial lp/mm yang lebih tinggi sebelum aliasing. Kemampuan ini meningkatkan kinerja sistem pencitraan dalam flow cytometry, velocimetry gambar partikel (PIV), korelasi gambar digital (DIC), dan aplikasi kecepatan tinggi lainnya yang dibatasi oleh kekuatan resolusi sensor.

Di luar BSI

Terobosan kinerja yang terkait dengan desain sensor gambar baru sebagian besar bertumpu pada arsitektur BSI-nya, tetapi ada lebih banyak lagi pada desainnya. Sensor baru ini juga memiliki sejumlah fitur desain yang meningkatkan kinerja melebihi apa yang dapat dicapai BSI sendiri — terutama terkait dengan kemampuan untuk membaca data pencitraan dalam jumlah besar dengan kecepatan tinggi dan meningkatkan throughput.

Menyelesaikan tantangan konversi analog-ke-digital. Menanamkan konverter analog-ke-digital (ADC) pada sensor gambar CMOS adalah praktik standar, tetapi kecepatan sensor BSI membutuhkan peningkatan besar dalam jumlah ADC. Sementara sensor gambar CMOS modern biasanya memiliki antara 1.000 dan 10.000 ADC tertanam, sensor kecepatan tinggi BSI yang baru memiliki 40.000 ADC, masing-masing mengonversi setiap 523 ns dan menghasilkan sejumlah besar data untuk dilepaskan dari sensor. Untuk menyelesaikan tugas ini, ia menggabungkan 160 output serial berkecepatan tinggi yang beroperasi pada lebih dari 5 Gbps. Teknologi ini umum pada CPU dan FPGA tetapi baru pada sensor pencitraan berkecepatan tinggi.

Kepadatan ADC pada sensor baru memang menciptakan manajemen daya dan tantangan crosstalk listrik, yang diselesaikan dengan bantuan desain dan mitra produksi terintegrasi kami, Forza Silicon. Meskipun simulasi sering digunakan dalam memprediksi kinerja sensor, sensor ini memerlukan simulasi untuk menghitung selama berminggu-minggu untuk memberikan prediksi.

Forza memiliki pengalaman yang signifikan dalam menyederhanakan simulasi dan menganalisis hasil aktual versus hasil prediksi untuk modifikasi desain yang cepat. Dalam kasus sensor BSI, pengujian desain awal mengungkapkan tingkat crosstalk ADC yang lebih tinggi dalam mode pencitraan dan binning normal daripada yang diperkirakan alat simulasi kami, menyebabkan artefak yang terlihat pada gambar. Insinyur Forza menemukan bahwa crosstalk menunjukkan pola yang dapat diprediksi dan mengembangkan teknik pemodelan yang membantu menghilangkan crosstalk sama sekali, yang pada gilirannya mengurangi artefak pencitraan.

Binning untuk throughput maksimum. Sensor mendukung binning 2 × 2 untuk memaksimalkan throughput pada kecepatan yang lebih cepat. Meskipun tidak umum pada sensor kecepatan tinggi, kami telah menerapkan binning di dua kamera sebelumnya. Ini membantu mengurangi keterbatasan arsitektur kolom ADC sensor, memungkinkan kecepatan lebih cepat daripada sekadar mengurangi dimensi-y. Pendekatan ini agak berbeda dari binning seperti yang diterapkan pada kamera CCD, di mana ini digunakan untuk meningkatkan sensitivitas. Dalam hal ini, itu digunakan untuk meningkatkan kecepatan.

Perbedaan BSI

BSI bukanlah teknologi baru, dan telah digunakan dengan sukses besar di kamera standar dan ponsel. Dengan mengadaptasinya ke pencitraan berkecepatan tinggi, sebuah sensor telah dibuat yang mendorong batas kecepatan dalam kondisi kekurangan cahaya.

Artikel ini ditulis oleh Radu Corlan, Kepala Ilmuwan, dan Kevin Gann, Wakil Presiden Divisi R&D, Vision Research (Wayne, NJ); dan Loc Truong, Wakil Presiden Teknik, Forza Silicon (Pasadena, CA). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Tn. Gann di Alamat email ini dilindungi dari robot spam. Anda perlu mengaktifkan JavaScript untuk melihatnya., atau kunjungi di sini .