Moduli ottici

L’accelerazione dei cicli di vita dei prodotti e la moltiplicazione dei casi d’uso visivi non lasciano ai produttori di sistemi di visione altra scelta se non quella di investire meno tempo e denaro in nuovi sviluppi e concentrarsi sul loro valore aggiunto.

Nel settembre 2022, Teledyne e2v ha rilasciato Optimom 2M, il primo di una gamma di moduli MIPI CSI-2, per affrontare proprio questa sfida. Il modulo combina le più recenti innovazioni nel campo dell'imaging e dell'ottica in un'unica soluzione di imaging chiavi in ​​mano montando un sensore di immagine proprietario su una scheda con obiettivo fisso e tecnologia di lenti Multi Focus opzionale. Ma quali sono queste innovazioni e come funzionano? Quali vantaggi apportano ai sistemi basati sulla visione?

Il modulo Optimom 2M è dotato di Topaz 2M, un sensore di immagine CMOS con otturatore globale da 2 Megapixel che combina molteplici innovazioni dalla struttura dei pixel al packaging, fino al design del chip stesso.

In un mondo in cui le pure prestazioni del prodotto sarebbero l'unico fattore determinante nello sviluppo del prodotto, i produttori di sistemi di visione selezionerebbero il pixel più grande possibile per massimizzare la sensibilità e la capacità di saturazione del dispositivo. Tuttavia, nel mondo reale, dove il denaro, l'ingombro e il consumo energetico giocano tutti un ruolo, i produttori di sistemi di visione devono bilanciare il loro desiderio di massimizzare le prestazioni ottiche del sistema entro limiti di dimensioni e costi, cercando sensori di immagine con prestazioni elettro-ottiche ottimali. , che può ancora adattarsi a un determinato formato ottico.

A seconda del formato ottico target, la dimensione massima accettabile dei pixel può diventare una sfida tecnologica. Inoltre, passare da un formato ottico a uno più piccolo (ad esempio da 1,1 pollici a 1 pollice) spesso implica una riduzione significativa del passo dei pixel, come evidenziato nella Figura 2.

Topaz 2M presenta il pixel dell'otturatore globale più piccolo al mondo, che gli consente di essere abbinato a obiettivi da 1/3 di pollice compatti ed economici, massimizzando allo stesso tempo la sensibilità e il rapporto segnale-rumore. Questo pixel, sviluppato dalla fonderia TowerJazz utilizzando la tecnologia a 65 nm, gli consente di eseguire l'operazione di otturatore globale in una piccola dimensione quadrata di 2,5 μm sfruttando il concetto di struttura dei pixel condivisa. Nel caso del sensore Topaz 2M, è stata adottata una struttura di pixel condivisi da 8T, con otto transistor condivisi da due pixel in diagonale, combinando quindi le funzionalità avanzate delle strutture di pixel 6T come la riduzione in-pixel (nota anche come CDS o Correlated Double campionamento) e la sensibilità migliorata delle strutture 4T con solo quattro transistor che occupano la superficie di ciascun pixel.

Oltre a questa struttura, il sensore Topaz 2M e il modulo Optimom 2M beneficiano di una sensibilità migliorata grazie ad una struttura di stack ottico dirompente sulla parte superiore del pixel. Il pixel ottimizza il passo dei pixel con una lente superiore gapless per evitare perdite di luce e riflessi indesiderati, ma la vera invenzione risiede nella cosiddetta architettura "dual light-pipe" che guida direttamente la luce sul fotodiodo attraverso fibre micro-ottiche create nel stack ottico del sensore, che gioca con materiali di diversi indici riflettenti.

L'immagine mostrata nella Figura 3 presenta una vista trasversale dello stack ottico incorporato nei prodotti.

Oltre a ottimizzare le dimensioni dei pixel e la struttura ottica, i sensori di immagine possono ora beneficiare anche dei progressi nella tecnologia di packaging per ridurre il costo, il peso e l’ingombro dei sensori. Da alcuni anni, le tecnologie di imballaggio a livello di wafer sono in forte espansione sul mercato, soprattutto per applicazioni di consumo come quelle mobili, automobilistiche o indossabili.

Sebbene i pacchetti Ceramic Land Grid Array (CLGA) siano utilizzati nel settore ormai da molti anni, i recenti progressi tecnologici nella riduzione delle dimensioni dei pixel hanno aperto la porta a pacchetti a livello di wafer, anche per sensori di immagine di fascia alta destinati all'ispezione industriale, logistica o robotica. I pacchetti CLGA richiedono un confezionamento individuale dello stampo in una struttura ceramica, con zone distanziate sul retro per il collegamento alla scheda del sensore, mentre i pacchetti a livello di wafer vengono prodotti in lotti di wafer.