Modules optiques

L'accélération des cycles de vie des produits et la multiplication des cas d'utilisation de la vision ne laissent d'autre choix aux fabricants de systèmes de vision que d'investir moins de temps et d'argent dans de nouveaux développements et de se concentrer sur leur valeur ajoutée.

En septembre 2022, Teledyne e2v a lancé Optimom 2M, le premier d'une gamme de modules MIPI CSI-2, pour relever ce défi. Le module combine les dernières innovations en matière d'imagerie et d'optique dans une solution d'imagerie clé en main en montant un capteur d'image propriétaire sur une carte avec un objectif fixe et la technologie d'objectif multifocus en option. Mais quelles sont ces innovations et comment fonctionnent-elles ? Quels avantages apportent-ils aux systèmes basés sur la vision ?

Le module Optimom 2M comprend Topaz 2M, un capteur d'image CMOS à obturateur global de 2 mégapixels qui combine plusieurs innovations, de la structure des pixels à l'emballage, en passant par la conception de la puce elle-même.

Dans un monde où les performances pures des produits seraient le seul et unique moteur du développement de produits, les fabricants de systèmes de vision sélectionneraient le plus grand pixel possible pour maximiser la sensibilité et la capacité de saturation de l'appareil. Cependant, dans le monde réel, où l'argent, l'encombrement et la consommation d'énergie jouent tous un rôle, les fabricants de systèmes de vision doivent équilibrer leur désir de maximiser les performances optiques du système dans les limites de taille et de coût en recherchant des capteurs d'image avec des performances électro-optiques optimales. , qui peuvent toujours tenir dans un certain format optique.

Selon le format optique cible, la taille de pixel maximale acceptable peut devenir un défi technologique. De plus, passer d'un format optique à un format plus petit (par exemple de 1,1 pouce à 1 pouce) implique souvent une réduction significative du pas de pixel, comme le montre la figure 2.

Topaz 2M dispose du plus petit pixel d'obturation global au monde, ce qui lui permet d'être associé à des objectifs 1/3 de pouce compacts et économiques tout en maximisant la sensibilité et le rapport signal/bruit. Ce pixel, développé par la fonderie TowerJazz à l'aide de sa technologie 65 nm, lui permet d'effectuer une opération d'obturation globale dans une petite taille carrée de 2,5 μm en exploitant le concept de structure de pixel partagée. Dans le cas du capteur Topaz 2M, une structure de pixels partagés 8T a été adoptée, huit transistors étant partagés par deux pixels en diagonale, combinant ainsi les fonctionnalités avancées des structures de pixels 6T telles que la réduction en pixels (aka CDS ou Correlated Double Sampling) et la sensibilité améliorée des structures 4T avec seulement quatre transistors occupant la surface de chaque pixel.

En plus de cette structure, le capteur Topaz 2M et le module Optimom 2M bénéficient d'une sensibilité améliorée grâce à une structure de pile optique perturbatrice au-dessus du pixel. Le pixel optimise le pas de pixel avec une lentille supérieure sans espace pour éviter la perte de lumière et les réflexions indésirables, mais la véritable invention réside dans l'architecture dite "à double conduit de lumière" qui guide directement la lumière sur la photodiode à travers des fibres micro-optiques créées dans le pile optique du capteur, qui joue avec des matériaux d'indices de réflexion différents.

L'image illustrée à la figure 3 présente une vue transversale de l'empilement optique qui est intégré dans les produits.

Outre l'optimisation de la taille des pixels et de la structure optique, les capteurs d'images peuvent désormais également bénéficier des avancées de la technologie d'emballage pour réduire le coût, le poids et l'encombrement des capteurs. Depuis quelques années, les technologies d'emballage au niveau de la tranche sont en plein essor sur le marché, en particulier pour les applications grand public telles que le mobile, l'automobile ou les appareils portables.

Alors que les boîtiers Ceramic Land Grid Array (CLGA) sont utilisés dans l'industrie depuis de nombreuses années maintenant, les récentes avancées technologiques dans la réduction de la taille des pixels ont ouvert la porte aux boîtiers au niveau de la tranche, même pour les capteurs d'image haut de gamme destinés à l'inspection industrielle, logistique ou robotique. Les boîtiers CLGA nécessitent un emballage individuel de la matrice dans une structure en céramique, avec des plages espacées à l'arrière pour la connexion à la carte de capteur, tandis que les boîtiers au niveau des tranches sont produits par lots de tranches.

Dans le cas des boîtiers au niveau de la tranche de sortance, les tranches de silicium sont découpées en puces de capteur individuelles qui sont toutes intégrées dans une tranche de substrat en verre remoulée, qui est ensuite découpée en capteurs emballés individuellement. Les optimisations de processus et de taille de boîtier vont encore plus loin avec une autre catégorie de conditionnement au niveau de la tranche : le conditionnement à l'échelle de la puce, dans lequel la tranche de silicium est directement conditionnée dans le matériau sans l'étape intermédiaire de moulage d'un substrat en verre autour de celle-ci. Cela conduit à des capteurs d'image toujours plus petits et plus compacts. Pour les deux catégories de boîtiers au niveau de la plaquette, la connexion arrière du capteur d'image à la carte est assurée par des billes qui fournissent des connexions à plus haute densité, une excellente solution au défi de produire des solutions d'imagerie miniatures et légères pour les systèmes embarqués tels que les drones ou automatisés. véhicules guidés.

La combinaison récente de ces innovations en matière de pixels, de structure de capteur et d'emballage a permis une nouvelle génération de capteurs d'image avec des empreintes qui ont été réduites d'un facteur quatre en seulement cinq ans, comme le montrent la chronologie et les exemples illustrés à la figure 4.

Outre la technologie d'emballage, la conception de la puce du capteur à emballer peut également avoir un impact sur la taille du système final. L'une des principales astuces disponibles pour les fabricants de capteurs d'image consiste à minimiser le boîtier du système final en faisant correspondre le centre du boîtier avec le centre optique à la même position exacte. L'impact d'une inadéquation entre les centres optiques et de boîtier, comme on l'observe encore aujourd'hui dans certains capteurs d'image, est illustré à la figure 5.

Alors que la réduction du pas de pixel a un impact positif sur le coût et la taille des capteurs d'image, elle a été assez préjudiciable à la polyvalence des systèmes optiques, en particulier la profondeur de champ.

La profondeur de champ, qui peut être définie comme la différence entre la distance la plus proche et la plus éloignée à laquelle un objet peut être capturé avec des niveaux de netteté suffisants, diminue à mesure que la taille des pixels diminue et que la tolérance aux images floues devient plus petite. Pour les applications nécessitant la capture d'objets à différentes distances de travail (comme pour le suivi des colis dans les centres logistiques), il devient habituel pour les fabricants de systèmes de rechercher des optiques à faible ouverture (F/7.0 ou F/8.0 généralement) pour maintenir une profondeur suffisante de champ malgré la réduction de la taille des pixels.

Malheureusement, la fermeture de l'ouverture se fait au détriment de la sensibilité à la lumière, car moins de lumière traverse l'objectif pour être capturée par le capteur d'image. Par conséquent, le défi pour les technologies de réglage de la mise au point est désormais de permettre une grande profondeur de champ tout en maintenant une sensibilité élevée du système de vision. C'est précisément le problème résolu par la technologie d'objectif Multi-Focus développée dans le module optique Optimom 2M, qui combine une large ouverture F/4.0 avec de larges distances de travail de 10 cm à l'infini.

Cette technologie exclusive de pile d'objectifs atteint ces performances en modifiant la forme externe de l'objectif pour ajuster la mise au point. Le contrôle de la forme de la lentille est assuré électroniquement au moyen de signaux de protocole I 2C qui sont directement gérés par le connecteur standard FFC/FPC à l'arrière de la carte du module. Ce connecteur gère la sortie de données MIPI CSI-2, la gestion de l'horloge, ainsi que le contrôle du capteur d'image et de l'objectif multi-focus via I2C. Ce concept permet au Multi-Focus de bénéficier de multiples avantages par rapport aux autres technologies de réglage de la mise au point, comme un temps de réponse rapide < 1ms et une résistance aux effets électromagnétiques.

Le module optique Optimom 2M atteint des performances électro-optiques de pointe et une grande polyvalence en tirant parti de multiples innovations. Le capteur d'image intégré combine des innovations en matière de structure de pixels, de pile optique et d'emballage de matrice pour permettre une conception minuscule et légère capable de correspondre aux objectifs à monture S abordables tout en maintenant un niveau de sensibilité élevé. L'objectif Multi-Focus intégré en option repose sur une nouvelle technologie de réglage de la mise au point, qui permet de combiner une large distance de travail, une sensibilité élevée et un temps de réponse rapide.

Cet article a été écrit par Marie-Charlotte Leclerc, Chef de Produit, Teledyne e2v (Grenoble, France). Pour plus d'informations, rendez-vous ici.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de novembre 2022 du magazine Photonics & Imaging Technology.

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