每秒超过100万帧的速度,高速成像是一种宝贵的研究工具,能够捕获科学和工程应用中最短暂的事件。然而,实现此速度附有弦。大多数高速摄像机旨在实现最大的Gigapixel /秒(GPX / SEC)吞吐量,以便在帧速率的权衡到分辨率。例如,25 GPX / SEC相机以1280×800像素的分辨率达到每秒25,700帧(FPS),并且可以以1280×720的较小分辨率达到28,500的更高帧速率。两种组合具有几乎相同的吞吐量。非常高的帧速率(如100万FPS)伴随着非常小的分辨率,使得看到主题更具挑战性。

随着帧速率的增加,像素曝光的曝光时间降低。在25,700 fps,每帧的最大曝光率为39微秒(μs),并且在100万fps,最大曝光时间仅为733纳秒(ns)。短曝光时间需要高水平的照明以补偿像素接收光的短时间。In fact, many high-speed applications are light starved, meaning that, given the very short exposure times at high frame rates, the available illumination won’t deliver enough light to the camera’s imaging sensor to produce an ideal image and may even be impractical in certain applications.

高速摄像机运营商已经熟练地平衡他们需要速度和解决方案,以便他们需要足够的照明。他们能够捕捉到科学了解和工程分析前沿的壮观图像,但随着用户推动高速成像的界限,权衡变得更加困难。

Phantom TMX 7510

最近,制定了技术突破,减轻了速度分辨率灵敏度约束。已经开发了一种新的高速图像传感器,其采用背面照明(BSI)来增加可以捕获光子的像素表面区域。因为它更有效地捕获光,因此BSI传感器更适合于需要高帧速率的应用。在本相机中,吞吐量 - 最大帧速率时间最大帧分辨率 - 与之前的几代高速CMOS成像传感器相比增加了三次的因子。新传感器在新的幻像TMX摄像机中推出了3月2021日,最快的最快可以以1280×800像素的全部分辨率拍摄76,000 fps。

将BSI带到高速应用程序

到目前为止,高速相机中使用的CMOS传感器基于前侧照明(FSI)架构,其中坐在像素的光电二极管上方的传感器的金属电路面临光源。该金属电路可防止一些入射光到达像素,这反过来影响填充因子并降低传感器的灵敏度。

图1. BSI传感器通过提供光的直接路线来改善填充因子,以实现光接收表面。

BSI传感器的设计是在金属堆栈的顶部附加一个厚的载体晶片。这种安排可以使硅体变薄并翻转,以暴露面对光源的二极管及其背后的金属表面。BSI传感器在高速方面有两个显著的优势:通过为光到达光接收面提供直接路径,提高填充系数(见图1);通过在传感器的金属表面添加更多的金属,提高处理速度。

  • 改善填充因子:这种捕获入射光的有效性用传感器的填充系数来表示——或者是能够捕获光子的像素表面积的百分比。由于其金属电路阻塞或反射部分光线,用于高速成像的典型FSI传感器的填充系数将在50 - 60%之间,由典型电流FSI传感器中的微透镜部分补偿。通过将电路移开,这种新的BSI传感器的填充系数接近100%。

  • 增加处理速度:像素阵列的基本速度受电阻器 - 电容器(RC)时间常数的限制,并且添加金属降低了电阻并增加了速度。在FSI传感器中,传感器前部上的金属量限制为允许光到达光电二极管。该约束导致处理速度的开销。随着帧速率的增加和分辨率降低,由于开销的损耗,相机不能提供最大的GPX / SEC吞吐量。BSI传感器没有该约束,并且可以显着增加金属电路,基本上减少甚至消除开销。即使在非常高的帧速率/低分辨率组合中,这种能力允许BSI传感器保持其最大GPX / SEC吞吐量。

BSI传感器在各种手机和标准数码相机中有超过10年。当涉及提高这些消费者的摄像机的低光能和动态范围时,他们提供了经过验证的优势。为什么将这些传感器带到高速成像需要这么长时间?在一个字,大小。

图2.应用于高速成像的背面照明(BSI)技术开始关闭定制高速功能和专用成像功能之间的帧速率性能差距。

高速摄像机中使用的传感器和像素远大于标准相机,以最大限度地减少速度分辨率灵敏度折衷。例如,虽然手机摄像机可以具有小于每侧小于2μm的像素,但是该新图像传感器上的像素通常大于6μm,每侧多达28μm。

BSI传感器的制造过程本质上比可比较的FSI传感器更加困难,并且需要额外的制造步骤。其中是去除散装硅的晶圆备份步骤,使光电二极管更靠近光源。晶片的后侧还存在额外的处理步骤以退火表面并向前侧提供电触点。高速图像传感器的尺寸仅加剧了制造困难。半导体经济学的现实也使得难以将技术从高生产量的标准相机转移到相对低的高速成像传感器的相对低。需要时间来完善制造过程,实现实际收益率。

BSI图像传感器值得等待。它设置了新标准:

  • 速度。使用传感器的第一台相机以全额1百万像素(1280×800)分辨率为76,000 fps的图像捕获图像,并且可以在降低的分辨率和衬砌时达到超过一个数量级的速度。例如,相机在175万FPS中排出的,分辨率为1280×32和640×64像素。从历史上看,与帧率超过100万FPS相关的分辨率对于几乎所有科学用途而言太低,但1280×32表示在各种应用中的真正可用的分辨率。

  • 曝光时间。新传感器支持最小的曝光时间,与出口控制的快速选项快速为95 ns。快速曝光时间使得可以捕获无运动模糊的更快的事件,这可以是在宽范围内获得高质量图像的限制因素作为细胞计量和燃烧分析。

  • 像素大小。为了在光饥饿的条件下工作,高速相机历史上使用了非常大的像素尺寸,作为捕获尽可能多的光子的装置。例如,我们现有的FSI超高速传感器的像素尺寸为每侧为28μm,面积为784μm2。新的BSI高速图像传感器具有每侧像素18.5μm,但其捕获光的熟练程度使其在具有28μm像素的早期FSI传感器的三倍时敏感。较小的像素还提高采样频率(奈奎斯特),允许传感器在混叠之前解析更高的LP / MM空间频率。该能力在流式细胞术中的成像系统的性能提高了通过传感器的解析功率限制的流式细胞术中的成像系统的性能,粒子图像速度(PIV),数字图像相关性(DIC)和其他高速应用。

除了BSI之外

与新的图像传感器设计相关的性能突破主要在其BSI架构上休息,但是设计更重要。新传感器还具有许多设计特征,可以提高BSI可以单独完成的性能 - 特别是与高速读出大量成像数据的能力并提高吞吐量。

图3.与FSI传感器相比,BSI传感器在整个可见光谱中实现更高的量子效率(QE)。

解决模数转换挑战。在CMOS图像传感器上嵌入模数转换器(ADC)是标准练习,但BSI传感器的速度需要大量增加ADC。虽然现代CMOS图像传感器通常具有1,000到10,000个嵌入式ADC,但新的BSI高速传感器具有40,000个ADC,每个ADC每523个NS转换并从传感器产生大量数据到卸载。为完成此任务,它包含160个高速串行输出,以大于5 Gbps运行。该技术在CPU和FPGA上很常见,但在高速成像传感器上有新的。

新传感器上的ADC密度确实创造了电力管理和电气串扰挑战,这些挑战是在我们的设计和综合生产合作伙伴,Forza Silicon的帮助下解决。虽然仿真通常用于预测传感器性能,但该传感器需要模拟来计算周数以提供预测。

Forza在简化模拟方面具有重要的经验,并分析实际与预测结果进行快速设计修改。在BSI传感器的情况下,早期设计的测试揭示了普通成像和融合模式中的较高水平的ADC串扰,而不是我们的仿真工具预测,导致图像中明显的伪像。Forza工程师发现,串扰表现出可预测的图案和开发的建模技术,这些技术有助于消除串扰,这反过来缓解了成像伪影。

搭档最大吞吐量。传感器支撑2×2箱,以使吞吐量更快地速度更快。虽然在高速传感器中不常见,但我们已经在前两台相机中实施了啤酒。它有助于缓解传感器柱ADC架构的限制,从而更快的速度,而不是简单地降低Y维度。这种方法与应用于CCD相机中的分箱不同,在那里它主要用于主要提高灵敏度。在这种情况下,它用于提高速度。

BSI差异

BSI不是一种新技术,它已在标准和手机摄像机中取得巨大的成功。通过将其调整为高速成像,已经创建了传感器,从而在光饥饿条件下推动速度的边界。

本文是由Radu Corlan,首席科学家和Kevin Gann,R&D的副总裁,视觉研究(Wayne,NJ)的副总裁;和Loc Truong,Engineering,Forza Silicon(Pasadena,CA)的VP。有关更多信息,请联系Gann先生此电子邮件地址受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用Javascript来查看它。或者访问这里


光子与成像技术杂志

本文首先出现在9月,2021年问题光子和成像技术杂志。

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