Schnelle rückseitige Beleuchtung: Erfassung von über 1 Million Bilder pro Sekunde

Mit Geschwindigkeiten von über einer Million Bilder pro Sekunde ist die Hochgeschwindigkeitsbildgebung ein unschätzbares Forschungsinstrument, das in der Lage ist, die flüchtigsten Ereignisse in wissenschaftlichen und technischen Anwendungen festzuhalten. Doch diese Geschwindigkeit hat ihren Preis. Die meisten Hochgeschwindigkeitskameras sind auf einen maximalen Gigapixel-pro-Sekunde-Durchsatz (Gpx/s) ausgelegt, der als Kompromiss zwischen Bildrate und Auflösung angeboten wird. So erreicht eine 25 Gpx/s Kamera beispielsweise 25.700 Bilder pro Sekunde (fps) bei einer Auflösung von 1280 × 800 Pixeln und kann eine höhere Bildrate von 28.500 fps bei einer kleineren Auflösung von 1280 × 720 erzielen. Beide Kombinationen haben nahezu den gleichen Durchsatz. Sehr hohe Bildraten wie 1 Million fps gehen mit sehr kleinen Auflösungen einher, was die Betrachtung des Untersuchungsobjekts erschwert.

Herausforderung: Belichtungszeit und Lichtempfindlichkeit

Mit steigenden Bildraten sinkt die Belichtungszeit, die ein Pixel dem Licht ausgesetzt ist. Bei 25.700 fps beträgt die maximale Belichtungszeit pro Frame 39 Mikrosekunden (µs), bei 1 Million fps nur noch 733 Nanosekunden (ns). Die kurzen Belichtungszeiten erfordern hohe Beleuchtungsstärken, um die kurze Zeit, in der das Pixel Licht empfängt, auszugleichen. Tatsächlich sind viele Hochgeschwindigkeitsanwendungen lichtarm, was bedeutet, dass die verfügbare Beleuchtung bei den sehr kurzen Belichtungszeiten hoher Bildraten nicht genügend Licht auf den Bildsensor der Kamera liefert, um ein ideales Bild zu erzeugen, und in bestimmten Anwendungen sogar unpraktisch sein kann.

Bediener von Hochgeschwindigkeitskameras sind darin geübt, ihren Bedarf an Geschwindigkeit und Auflösung mit dem an ausreichender Beleuchtung in Einklang zu bringen. Sie können spektakuläre Bilder aufnehmen, die die Grenzen des wissenschaftlichen Verständnisses und der technischen Analyse erweitern, doch die Kompromisse werden schwieriger zu managen, je mehr Anwender die Grenzen der Hochgeschwindigkeitsbildgebung ausreizen.

Technologischer Durchbruch: Rückseitig beleuchtete Sensoren (BSI)

Kürzlich wurde ein technischer Durchbruch erzielt, der die Geschwindigkeit-Auflösung-Empfindlichkeits-Einschränkung mildert. Ein neuer Hochgeschwindigkeits-Bildsensor wurde entwickelt, der die rückseitige Beleuchtung (Backside Illumination, BSI) nutzt, um die Pixeloberfläche, die Photonen einfangen kann, zu vergrößern. Da er Licht effektiver einfängt, eignet sich der BSI-Sensor besser für Anwendungen, die hohe Bildraten erfordern. In dieser Kamera stieg der Durchsatz – maximale Bildrate mal maximale Bildauflösung – im Vergleich zu früheren Generationen von Hochgeschwindigkeits-CMOS-Bildsensoren um das Dreifache. Der neue Sensor debütierte im März 2021 in den neuen Phantom TMX Kameras, von denen die schnellste 76.000 fps bei voller Auflösung von 1280 × 800 Pixeln aufnehmen kann.

BSI für Hochgeschwindigkeitsanwendungen nutzbar machen

Bislang basierten die in Hochgeschwindigkeitskameras verwendeten CMOS-Sensoren auf frontseitig beleuchteten (Frontside Illuminated, FSI) Architekturen, bei denen die Metalleitungen des Sensors oberhalb der Fotodioden der Pixel zur Lichtquelle hin ausgerichtet sind. Diese Metalleitungen verhindern, dass ein Teil des einfallenden Lichts die Pixel erreicht, was den Füllfaktor beeinträchtigt und die Empfindlichkeit des Sensors verringert.

BSI-Sensoren sind mit einem dicken Trägerwafer oberhalb des Metallstacks konstruiert. Diese Anordnung ermöglicht es, das Bulk-Silizium zu dünnen und umzudrehen, sodass die Dioden der Lichtquelle und die Metalloberfläche dahinter zugewandt sind. Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen bieten BSI-Sensoren zwei wesentliche Vorteile: einen verbesserten Füllfaktor durch einen direkten Weg für das Licht zur lichteempfangenden Oberfläche (siehe Abbildung 1) und eine verbesserte Verarbeitungsgeschwindigkeit durch Hinzufügen von mehr Metall zur Metallebene des Sensors.

• Verbesserter Füllfaktor: Diese Effektivität beim Einfangen einfallenden Lichts wird in Form des Füllfaktors des Sensors ausgedrückt – also dem Prozentsatz der Pixeloberfläche, der Photonen einfangen kann. Da die Metalleitungen einen Teil des Lichts blockieren oder reflektieren, hat ein typischer FSI-Sensor in der Hochgeschwindigkeitsbildgebung einen Füllfaktor zwischen 50 und 60 %, der in typischen aktuellen FSI-Sensoren teilweise durch eine Mikrolinse kompensiert wird. Durch das Wegschaffen der Leitungen erreicht dieser neue BSI-Sensor einen Füllfaktor von nahezu 100 %.

• Erhöhte Verarbeitungsgeschwindigkeit: Die grundlegende Geschwindigkeit des Pixel-Arrays wird durch Widerstands-Kapazitäts-Zeitkonstanten (RC) begrenzt, und das Hinzufügen von Metall verringert den Widerstand und erhöht die Geschwindigkeit. Bei FSI-Sensoren ist die Menge an Metall auf der Sensorvorderseite begrenzt, damit Licht die Fotodioden erreichen kann. Diese Beschränkung führt zu Overhead bei der Verarbeitungsgeschwindigkeit. Wenn die Bildraten steigen und die Auflösungen sinken, kann die Kamera aufgrund von Overhead-Verlusten keinen maximalen Gpx/s-Durchsatz liefern. BSI-Sensoren haben diese Beschränkung nicht und können deutlich mehr Metall-Leitungen aufweisen, was den Overhead erheblich reduziert oder sogar eliminiert. Diese Fähigkeit ermöglicht es einem BSI-Sensor, seinen maximalen Gpx/s-Durchsatz auch bei sehr hohen Bildraten/niedrigen Auflösungen beizubehalten.

Warum hat es so lange gedauert?

BSI-Sensoren sind seit mehr als 10 Jahren in einer Vielzahl von Handy- und Standard-Digitalkameras erhältlich. Sie boten bewährte Vorteile bei der Verbesserung der Low-Light-Leistung und des Dynamikumfangs dieser verbraucherorientierten Kameras. Warum hat es so lange gedauert, diese Sensoren in die Hochgeschwindigkeitsbildgebung zu bringen? In einem Wort: Größe.

Die in Hochgeschwindigkeitskameras verwendeten Sensoren und Pixel sind viel größer als bei Standardkameras, um Kompromisse zwischen Geschwindigkeit, Auflösung und Empfindlichkeit zu minimieren. Während eine Handykamera beispielsweise Pixel mit weniger als 2 µm Kantenlänge haben kann, betragen die Pixel auf diesem neuen Bildsensor typischerweise mehr als 6 µm und bis zu 28 µm.

Der Herstellungsprozess für BSI-Sensoren ist von Natur aus schwieriger als bei vergleichbaren FSI-Sensoren und erfordert zusätzliche Fertigungsschritte. Dazu gehört ein Wafer-Rückseiten-Dünnschritt, um das Bulk-Silizium zu entfernen und die Fotodioden näher an die Lichtquelle zu bringen. Es gibt auch zusätzliche Verarbeitungsschritte auf der Rückseite des Wafers, um die Oberfläche zu glühen und elektrische Kontakte zur Vorderseite herzustellen. Die Größe von Hochgeschwindigkeits-Bildsensoren verschärft die Fertigungsschwierigkeiten nur. Die Realitäten der Halbleiterökonomie machten es zudem schwierig, die Technologie von den hohen Produktionsvolumina von Standardkameras auf die vergleichsweise geringen Volumina von Hochgeschwindigkeits-Bildsensoren zu übertragen. Es dauerte, bis der Fertigungsprozess perfektioniert und praktikable Ausbeuten erreicht waren.

Neue Maßstäbe durch BSI-Bildsensoren

Der BSI-Bildsensor hat das Warten wert gewesen. Er setzt neue Standards für:

• Geschwindigkeit. Die erste Kamera mit diesem Sensor nimmt Bilder mit 76.000 fps bei voller 1-Megapixel-Auflösung (1280 × 800) auf und kann bei reduzierten Auflösungen und mit Binning Geschwindigkeiten erreichen, die mehr als eine Größenordnung schneller sind. Beispielsweise erreicht die Kamera 1,75 Millionen fps bei einer Auflösung von 1280 × 32 und 640 × 64 Pixel im Binning-Modus. Historisch waren die Auflösungen, die mit Bildraten über 1 Million fps verbunden waren, für fast alle wissenschaftlichen Anwendungen zu niedrig, aber 1280 × 32 stellt eine wirklich nutzbare Auflösung in einer Vielzahl von Anwendungen dar.

• Belichtungszeiten. Der neue Sensor unterstützt minimale Belichtungszeiten von nur 95 ns mit der exportkontrollierten FAST-Option. Die schnellen Belichtungszeiten ermöglichen es, immer schnellere Ereignisse ohne Bewegungsunschärfe festzuhalten, was ein limitierender Faktor für die Erlangung hochwertiger Bilder in Anwendungen von der Zytometrie bis zur Verbrennungsanalyse sein kann.

• Pixelgröße. Um in lichtarmen Bedingungen zu arbeiten, haben Hochgeschwindigkeitskameras historisch sehr große Pixelgrößen verwendet, um so viele Photonen wie möglich einzufangen. Unser bestehender FSI-Ultra-Hochgeschwindigkeits-Sensor hat beispielsweise eine Pixelgröße von 28 µm pro Seite für eine Fläche von 784 µm². Der neue BSI-Hochgeschwindigkeits-Bildsensor hat ein 18,5 µm pro Seite großes Pixel, aber seine Kompetenz beim Lichteinfang macht es bei dreifacher Geschwindigkeit etwa so empfindlich wie frühere FSI-Sensoren mit 28 µm Pixeln. Kleinere Pixel verbessern auch die Abtastfrequenz (Nyquist), sodass der Sensor höhere lp/mm-Raumfrequenzen auflösen kann, bevor Aliasing auftritt. Diese Fähigkeit verbessert die Leistung des Bildgebungssystems in der Durchflusszytometrie, Partikelbild-Velozimetrie (PIV), digitaler Bildkorrelation (DIC) und anderen hochgeschwindigkeitsanwendungen, die durch die Auflösungsleistung des Sensors begrenzt sind.

Jenseits von BSI: Weitere Designmerkmale

Die Leistungsdurchbrüche des neuen Sensordesigns beruhen hauptsächlich auf seiner BSI-Architektur, aber es gibt noch mehr. Der neue Sensor verfügt auch über eine Reihe von Designmerkmalen, die die Leistung über das hinaus steigern, was BSI allein erreichen könnte – insbesondere im Hinblick auf die Fähigkeit, die enormen Mengen an Bilddaten bei hohen Geschwindigkeiten auszulesen und den Durchsatz zu verbessern.

Herausforderungen der Analog-Digital-Wandlung meistern

Das Einbetten von Analog-Digital-Wandlern (ADC) auf CMOS-Bildsensoren ist gängige Praxis, aber die Geschwindigkeit des BSI-Sensors erforderte eine massive Erhöhung der ADC-Anzahl. Während moderne CMOS-Bildsensoren typischerweise zwischen 1.000 und 10.000 eingebettete ADCs haben, verfügt der neue BSI-Hochgeschwindigkeitssensor über 40.000 ADCs, die jeweils alle 523 ns wandeln und eine große Datenmenge erzeugen, die vom Sensor abgeführt werden muss. Um diese Aufgabe zu bewältigen, verfügt er über 160 Hochgeschwindigkeits-Serienausgänge, die mit über 5 Gbit/s arbeiten. Diese Technologie ist bei CPUs und FPGAs üblich, aber neu auf einem Hochgeschwindigkeits-Bildsensor.

Die Dichte der ADCs auf dem neuen Sensor schuf Herausforderungen beim Energiemanagement und bei elektrischem Übersprechen, die mit Hilfe unseres Design- und integrierten Produktionspartners Forza Silicon gelöst wurden. Während Simulationen oft zur Vorhersage der Sensorleistung verwendet werden, musste diese Sensor-Simulation wochenlang rechnen, um eine Vorhersage zu liefern.

Forza verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Vereinfachung von Simulationen und der Analyse tatsächlicher versus vorhergesagter Ergebnisse für schnelle Designänderungen. Im Fall des BSI-Sensors zeigte die Testung früher Designs ein höheres Maß an ADC-Übersprechen sowohl im normalen Imaging- als auch im Binning-Modus als von unseren Simulationswerkzeugen vorhergesagt, was zu auffälligen Artefakten in den Bildern führte. Forza-Ingenieure entdeckten, dass das Übersprechen vorhersehbare Muster aufwies und entwickelten Modellierungstechniken, die halfen, das Übersprechen vollständig zu eliminieren, was wiederum die Bildartefakte minderte.

Binning für maximalen Durchsatz

Der Sensor unterstützt 2 × 2 Binning, um den Durchsatz bei höheren Geschwindigkeiten zu maximieren. Obwohl in Hochgeschwindigkeitssensoren nicht üblich, haben wir Binning in zwei früheren Kameras implementiert. Es hilft, Einschränkungen der Spalten-ADC-Architektur des Sensors zu mildern und ermöglicht höhere Geschwindigkeiten als durch bloßes Verringern der y-Dimension. Dieser Ansatz unterscheidet sich subtil vom Binning bei CCD-Kameras, wo es hauptsächlich zur Erhöhung der Empfindlichkeit eingesetzt wird. In diesem Fall wurde es zur Geschwindigkeitssteigerung verwendet.

Der BSI-Unterschied

BSI ist keine neue Technologie und wird mit großem Erfolg in Standard- und Handykameras eingesetzt. Durch die Anpassung an die Hochgeschwindigkeitsbildgebung wurde ein Sensor geschaffen, der die Grenzen der Geschwindigkeit in lichtarmen Bedingungen verschiebt.

Dieser Artikel wurde verfasst von Radu Corlan, Chief Scientist, und Kevin Gann, Division VP of R&D, Vision Research (Wayne, NJ); sowie Loc Truong, VP of Engineering, Forza Silicon (Pasadena, CA). Für weitere Informationen kontaktieren Sie Herrn Gann unter protected@email.com oder besuchen Sie hier.