Optische Module

Durch die Beschleunigung der Produktlebenszyklen und die Vervielfachung von Vision-Anwendungsfällen bleibt den Herstellern von Vision-Systemen keine andere Wahl, als weniger Zeit und Geld in Neuentwicklungen zu investieren und sich auf deren Mehrwert zu konzentrieren.

Im September 2022 veröffentlichte Teledyne e2v Optimom 2M, das erste einer Reihe von MIPI CSI-2-Modulen, um genau dieser Herausforderung zu begegnen. Das Modul vereint die neuesten Innovationen in den Bereichen Bildgebung und Optik in einer schlüsselfertigen Bildgebungslösung, indem es einen proprietären Bildsensor auf einer Platine mit festem Objektiv und optionaler Multi Focus-Linsentechnologie montiert. Aber was sind diese Innovationen und wie funktionieren sie? Welche Vorteile bringen sie für visionbasierte Systeme?

Das Optimom 2M-Modul verfügt über Topaz 2M, einen 2-Megapixel-Global-Shutter-CMOS-Bildsensor, der mehrere Innovationen von der Pixelstruktur über die Verpackung bis hin zum Chipdesign selbst vereint.

In einer Welt, in der die reine Produktleistung der einzige Treiber bei der Produktentwicklung wäre, würden Hersteller von Bildverarbeitungssystemen das größtmögliche Pixel auswählen, um die Empfindlichkeit und Sättigungskapazität des Geräts zu maximieren. In der realen Welt jedoch, in der Geld, Platzbedarf und Stromverbrauch eine Rolle spielen, müssen Hersteller von Bildverarbeitungssystemen ihren Wunsch, die optische Leistung des Systems innerhalb von Größen- und Kostenbeschränkungen zu maximieren, in Einklang bringen, indem sie nach Bildsensoren mit optimaler elektrooptischer Leistung suchen , das noch in ein bestimmtes optisches Format passen kann.

Je nach optischem Zielformat kann die maximal akzeptable Pixelgröße zu einer technologischen Herausforderung werden. Außerdem bedeutet der Wechsel von einem optischen Format zu einem kleineren (z. B. von 1,1 Zoll auf 1 Zoll) oft eine deutliche Reduzierung des Pixelabstands, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Topaz 2M verfügt über das weltweit kleinste Global-Shutter-Pixel, wodurch es mit kompakten und kostengünstigen 1/3-Zoll-Objektiven kombiniert werden kann und gleichzeitig die Empfindlichkeit und das Signal-Rausch-Verhältnis maximiert. Dieses von der TowerJazz-Gießerei unter Verwendung ihrer 65-nm-Technologie entwickelte Pixel ermöglicht die Durchführung eines Global-Shutter-Betriebs in einer kleinen Quadratgröße von 2,5 μm, indem es das Konzept der gemeinsamen Pixelstruktur nutzt. Im Fall des Topaz 2M-Sensors wurde eine 8T-Gemeinschaftspixelstruktur übernommen, wobei acht Transistoren von zwei Pixeln in der Diagonale gemeinsam genutzt werden und somit die erweiterten Funktionen von 6T-Pixelstrukturen wie In-Pixel-Reduktion (auch bekannt als CDS oder Corlated Double) kombiniert werden Sampling) und die verbesserte Empfindlichkeit von 4T-Strukturen mit nur vier Transistoren, die die Oberfläche jedes Pixels belegen.

Zusätzlich zu dieser Struktur profitieren der Topaz 2M-Sensor und das Optimom 2M-Modul von einer verbesserten Empfindlichkeit aufgrund einer störenden optischen Stapelstruktur auf der Oberseite des Pixels. Der Pixel optimiert den Pixelabstand mit einer lückenlosen oberen Linse, um Lichtverluste und unerwünschte Reflexionen zu vermeiden. Die eigentliche Erfindung liegt jedoch in der sogenannten „Dual-Light-Pipe“-Architektur, die das Licht über darin erzeugte mikrooptische Fasern direkt auf die Fotodiode leitet optischer Stapel des Sensors, der mit Materialien unterschiedlicher Reflexionsindizes spielt.

Das in Abbildung 3 gezeigte Bild zeigt eine Queransicht des optischen Stapels, der in die Produkte eingebettet ist.

Neben der Optimierung der Pixelgröße und der optischen Struktur können Bildsensoren jetzt auch von Fortschritten in der Verpackungstechnologie profitieren, um Sensorkosten, Gewicht und Platzbedarf zu reduzieren. Seit einigen Jahren boomen Wafer-Level-Packaging-Technologien auf dem Markt, insbesondere für Verbraucheranwendungen wie Mobilgeräte, Automobile oder Wearables.

Während Keramik-Land-Grid-Array-Gehäuse (CLGA) bereits seit vielen Jahren in der Industrie verwendet werden, haben die jüngsten technologischen Fortschritte bei der Reduzierung der Pixelgröße die Tür zu Wafer-Level-Gehäusen geöffnet, selbst für höherwertige Bildsensoren für die industrielle Inspektion. Logistik oder Robotik. CLGA-Pakete erfordern eine individuelle Verpackung des Chips in einer Keramikstruktur mit beabstandeten Kontaktflächen auf der Rückseite für den Anschluss an die Sensorplatine, wohingegen Wafer-Level-Pakete in Wafer-Chargen hergestellt werden.

Bei Fan-out-Wafer-Level-Packages werden die Siliziumwafer in einzelne Sensorchips zerteilt, die alle in einen umgeformten Glassubstratwafer eingebettet werden, der dann in einzeln verpackte Sensoren geschnitten wird. Die Prozess- und Paketgrößenoptimierungen gehen mit einer anderen Kategorie von Wafer-Level-Packaging noch einen Schritt weiter: dem Chip-Scale-Packaging, bei dem der Siliziumwafer direkt in das Material verpackt wird, ohne dass ein Glassubstrat um ihn herum geformt werden muss. Dies führt zu immer kleineren und kompakteren Bildsensoren. Bei beiden Kategorien von Wafer-Level-Packaging wird die Rückverbindung des Bildsensors mit der Platine durch Kugeln gewährleistet, die Verbindungen mit höherer Dichte ermöglichen. Dies ist eine hervorragende Lösung für die Herausforderung, Miniatur- und leichte Bildgebungslösungen für eingebettete Systeme wie Drohnen oder automatisierte Systeme herzustellen geführte Fahrzeuge.

Die jüngste Kombination dieser Pixel-, Sensorstruktur- und Verpackungsinnovationen hat eine neue Generation von Bildsensoren ermöglicht, deren Stellfläche in nur fünf Jahren um den Faktor vier reduziert wurde, wie der Zeitplan und die Beispiele in Abbildung 4 zeigen.

Neben der Verpackungstechnologie kann auch das Design des zu verpackenden Sensorchips einen Einfluss auf die Größe des endgültigen Systems haben. Einer der wichtigsten Tricks, die Bildsensorherstellern zur Verfügung stehen, besteht darin, das endgültige Systemgehäuse zu minimieren, indem die Paketmitte mit der optischen Mitte an genau derselben Position ausgerichtet wird. Die Auswirkungen einer Diskrepanz zwischen optischen und Paketzentren, wie sie heute noch bei einigen Bildsensoren beobachtet werden, sind in Abbildung 5 dargestellt.

Während sich die Verkleinerung des Pixelabstands positiv auf die Kosten und die Größe von Bildsensoren auswirkt, hat sie sich erheblich nachteilig auf die Vielseitigkeit optischer Systeme, insbesondere auf die Schärfentiefe, ausgewirkt.

Die Schärfentiefe, die als Differenz zwischen der kürzesten und der entferntesten Entfernung definiert werden kann, bei der ein Objekt mit ausreichender Schärfe erfasst werden kann, verringert sich, wenn die Pixelgröße kleiner wird und die Toleranz gegenüber unscharfen Bildern kleiner wird. Bei Anwendungen, bei denen Objekte in verschiedenen Arbeitsabständen erfasst werden müssen (z. B. zur Paketverfolgung in Logistikzentren), ist es für Systemhersteller üblich, nach Optiken mit geringer Apertur (typischerweise F/7,0 oder F/8,0) zu suchen, um eine ausreichende Tiefe aufrechtzuerhalten des Feldes trotz Reduzierung der Pixelgröße.

Leider geht das Schließen der Blende zu Lasten der Lichtempfindlichkeit, da weniger Licht durch das Objektiv gelangt und vom Bildsensor erfasst wird. Daher besteht die Herausforderung für Fokusanpassungstechnologien nun darin, eine große Schärfentiefe zu ermöglichen und gleichzeitig eine hohe Empfindlichkeit des Bildverarbeitungssystems aufrechtzuerhalten. Genau dieses Problem löst die im optischen Modul Optimom 2M entwickelte Multi-Focus-Linsentechnologie, die eine große F/4.0-Blende mit großen Arbeitsabständen von 10 cm bis unendlich kombiniert.

Diese proprietäre Linsenstapeltechnologie erreicht diese Leistungen durch Modifizieren der äußeren Form der Linse, um den Fokus anzupassen. Die Steuerung der Linsenform erfolgt elektronisch über I2C-Protokollsignale, die direkt über den Standard-FFC/FPC-Anschluss auf der Rückseite der Modulplatine verwaltet werden. Dieser Anschluss übernimmt die MIPI CSI-2-Datenausgabe, die Taktverwaltung sowie die Bildsensor- und Multi-Focus-Objektivsteuerung über I2C. Durch dieses Konzept profitiert der Multi-Focus von mehreren Vorteilen im Vergleich zu anderen Fokusanpassungstechnologien, wie z. B. einer schnellen Reaktionszeit < 1 ms und Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Effekte.

Das optische Modul Optimom 2M erreicht modernste elektrooptische Leistungen und eine hohe Vielseitigkeit durch die Nutzung mehrerer Innovationen. Der eingebettete Bildsensor kombiniert Innovationen in der Pixelstruktur, dem optischen Stapel und der Chipverpackung, um ein winziges und leichtes Design zu ermöglichen, das zu erschwinglichen S-Mount-Objektiven passt und gleichzeitig ein hohes Maß an Empfindlichkeit beibehält. Das optional integrierte Multi-Focus-Objektiv setzt auf eine neue Fokusanpassungstechnologie, die die Kombination aus großem Arbeitsabstand, hoher Empfindlichkeit und schneller Reaktionszeit ermöglicht.

Dieser Artikel wurde von Marie-Charlotte Leclerc, Produktmanagerin, Teledyne e2v (Grenoble, Frankreich) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Novemberausgabe 2022 des Photonics & Imaging Technology Magazine.

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