Módulos ópticos

La aceleración de los ciclos de vida de los productos y la multiplicación de los casos de uso de visión no dejan a los fabricantes de sistemas de visión más remedio que invertir menos tiempo y dinero en nuevos desarrollos y centrarse en su valor añadido.

En septiembre de 2022, Teledyne e2v lanzó Optimom 2M, el primero de una gama de módulos MIPI CSI-2, para abordar este mismo desafío. El módulo combina las últimas innovaciones en imagen y óptica en una solución de imagen llave en mano mediante el montaje de un sensor de imagen patentado en una placa con una lente fija y tecnología de lente Multi Focus opcional. Pero, ¿cuáles son esas innovaciones y cómo funcionan? ¿Qué beneficios aportan a los sistemas basados ​​en visión?

El módulo Optimom 2M cuenta con Topaz 2M, un sensor de imagen CMOS con obturador global de 2 megapíxeles que combina múltiples innovaciones, desde la estructura de píxeles hasta el diseño del chip.

En un mundo donde el rendimiento puro del producto sería el único impulsor del desarrollo del producto, los fabricantes de sistemas de visión seleccionarían el píxel más grande posible para maximizar la sensibilidad y la capacidad de saturación del dispositivo. Sin embargo, en el mundo real, donde el dinero, el espacio y el consumo de energía juegan un papel importante, los fabricantes de sistemas de visión deben equilibrar su deseo de maximizar el rendimiento óptico del sistema dentro de las limitaciones de tamaño y costo al buscar sensores de imagen con un rendimiento electroóptico óptimo. , que todavía puede caber en un determinado formato óptico.

Dependiendo del formato óptico de destino, el tamaño de píxel máximo aceptable puede convertirse en un desafío tecnológico. Además, pasar de un formato óptico a uno más pequeño (por ejemplo, de 1,1 pulgadas a 1 pulgada) a menudo implica una reducción significativa del tamaño de píxel, como se destaca en la Figura 2.

Topaz 2M cuenta con el píxel de obturador global más pequeño del mundo, lo que le permite combinarse con lentes compactos y rentables de 1/3 de pulgada al mismo tiempo que maximiza la sensibilidad y la relación señal-ruido. Este píxel, desarrollado por la fundición TowerJazz utilizando su tecnología de 65 nm, le permite realizar una operación de obturador global en un tamaño cuadrado pequeño de 2,5 μm aprovechando el concepto de estructura de píxeles compartidos. En el caso del sensor Topaz 2M, se adoptó una estructura de píxeles compartidos de 8T, ocho transistores compartidos por dos píxeles en diagonal, por lo tanto, combina las características avanzadas de las estructuras de píxeles de 6T, como la reducción en píxeles (también conocida como CDS o Correlated Double). Muestreo) y la sensibilidad mejorada de las estructuras 4T con solo cuatro transistores ocupando la superficie de cada píxel.

Además de esta estructura, el sensor Topaz 2M y el módulo Optimom 2M se benefician de una sensibilidad mejorada debido a una estructura de pila óptica disruptiva en la parte superior del píxel. El píxel optimiza el paso de píxel con una lente superior sin espacios para evitar la pérdida de luz y los reflejos no deseados, pero la verdadera invención radica en la llamada arquitectura de "tubo de luz dual" que guía directamente la luz hacia el fotodiodo a través de fibras microópticas creadas en el pila óptica del sensor, que juega con materiales de diferentes índices de reflexión.

La imagen que se muestra en la Figura 3 presenta una vista transversal de la pila óptica que está incrustada en los productos.

Además de optimizar el tamaño de píxel y la estructura óptica, los sensores de imagen ahora también pueden beneficiarse de los avances en la tecnología de empaque para reducir el costo, el peso y el espacio del sensor. Durante algunos años, las tecnologías de envasado a nivel de obleas han estado en auge en el mercado, especialmente para aplicaciones de consumo como dispositivos móviles, automotrices o portátiles.

Si bien los paquetes Ceramic Land Grid Array (CLGA) se han utilizado en la industria durante muchos años, los avances tecnológicos recientes en la reducción del tamaño de píxel han abierto la puerta a paquetes a nivel de oblea, incluso para sensores de imagen de gama alta destinados a inspección industrial, logística o robótica. Los paquetes CLGA requieren un empaque individual de la matriz en una estructura de cerámica, con áreas separadas en la parte posterior para conectarse a la placa del sensor, mientras que los paquetes a nivel de obleas se producen en lotes de obleas.

En el caso de los paquetes de nivel de oblea de abanico, las obleas de silicio se cortan en dados de sensores individuales que se incrustan en una oblea de sustrato de vidrio remodelado, que luego se corta en sensores empaquetados individualmente. Las optimizaciones del proceso y del tamaño del paquete van un paso más allá con otra categoría de empaque a nivel de oblea: el empaque a escala de chip, en el que la oblea de silicio se empaqueta directamente en el material sin el paso intermedio de moldear un sustrato de vidrio a su alrededor. Esto conduce a sensores de imagen cada vez más pequeños y compactos. Para ambas categorías de empaques a nivel de oblea, la conexión posterior del sensor de imagen a la placa está asegurada por bolas que brindan conexiones de mayor densidad, una excelente solución al desafío de producir soluciones de imágenes en miniatura y livianas para sistemas integrados como drones o sistemas automatizados. vehículos guiados.

La combinación reciente de estas innovaciones de píxel, estructura del sensor y empaque ha permitido una nueva generación de sensores de imagen con huellas que se han reducido en un factor de cuatro en solo cinco años, como se destaca con la línea de tiempo y los ejemplos que se muestran en la Figura 4.

Además de la tecnología de empaquetado, el diseño del sensor que se va a empaquetar también puede tener un impacto en el tamaño del sistema final. Uno de los trucos clave disponibles para los fabricantes de sensores de imagen es minimizar la carcasa del sistema final haciendo coincidir el centro del paquete con el centro óptico en la misma posición exacta. El impacto de una falta de coincidencia entre los centros ópticos y del paquete, como todavía se observa en algunos sensores de imagen en la actualidad, se ilustra en la Figura 5.

Si bien la reducción de escala en el paso de píxeles tiene un impacto positivo en el costo y el tamaño de los sensores de imagen, ha sido bastante perjudicial para la versatilidad de los sistemas ópticos, especialmente la profundidad de campo.

La profundidad de campo, que se puede definir como la diferencia entre la distancia más cercana y la más lejana a la que se puede capturar un objeto con suficientes niveles de nitidez, se reduce a medida que se reduce el tamaño de píxel y se reduce la tolerancia a las imágenes desenfocadas. Para aplicaciones que requieren la captura de objetos a varias distancias de trabajo (como el seguimiento de paquetes en centros de logística), los fabricantes de sistemas suelen buscar ópticas de apertura estrecha (normalmente F/7,0 o F/8,0) para mantener una profundidad suficiente. de campo a pesar de la reducción del tamaño de píxel.

Desafortunadamente, cerrar la apertura se produce a expensas de la sensibilidad a la luz, ya que pasa menos luz a través de la lente para ser capturada por el sensor de imagen. Por lo tanto, el desafío para las tecnologías de ajuste de enfoque ahora es permitir una amplia profundidad de campo mientras se mantiene una alta sensibilidad del sistema de visión. Este es precisamente el problema que resuelve la tecnología de lentes Multi-Focus desarrollada en el módulo óptico Optimom 2M, que combina una amplia apertura F/4.0 con amplias distancias de trabajo desde 10 cm hasta el infinito.

Esta tecnología patentada de apilamiento de lentes alcanza estas prestaciones modificando la forma externa de la lente para ajustar el enfoque. El control de la forma de la lente se asegura electrónicamente mediante señales de protocolo I 2C que se gestionan directamente a través del conector estándar FFC/FPC en la parte posterior de la placa del módulo. Este conector maneja la salida de datos MIPI CSI-2, la gestión del reloj, así como el sensor de imagen y el control de lentes Multi-Focus a través de I2C. Este concepto permite que Multi-Focus se beneficie de múltiples ventajas en comparación con otras tecnologías de ajuste de enfoque, como un tiempo de respuesta rápido < 1 ms y resistencia a los efectos electromagnéticos.

El módulo óptico Optimom 2M logra un rendimiento electroóptico de última generación y una gran versatilidad al aprovechar múltiples innovaciones. El sensor de imagen incorporado combina innovaciones en la estructura de píxeles, la pila óptica y el empaque del troquel para permitir un diseño pequeño y liviano capaz de combinar lentes asequibles con montura S mientras mantiene un alto nivel de sensibilidad. La lente Multi-Focus integrada opcional se basa en una nueva tecnología de ajuste de enfoque, que permite la combinación de una amplia distancia de trabajo, alta sensibilidad y un tiempo de respuesta rápido.

Este artículo fue escrito por Marie-Charlotte Leclerc, Product Manager, Teledyne e2v (Grenoble, Francia). Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de noviembre de 2022 de la revista Photonics & Imaging Technology.

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