Módulos ópticos

A aceleração dos ciclos de vida do produto e a multiplicação de casos de uso de visão deixam os fabricantes de sistemas de visão sem escolha a não ser investir menos tempo e dinheiro em novos desenvolvimentos e focar em seu valor agregado.

Em setembro de 2022, a Teledyne e2v lançou o Optimom 2M, o primeiro de uma série de módulos MIPI CSI-2, para enfrentar esse mesmo desafio. O módulo combina as últimas inovações em imagem e ótica em uma solução de imagem pronta para uso, montando um sensor de imagem proprietário em uma placa com uma lente fixa e tecnologia de lente Multi Focus opcional. Mas o que são essas inovações e como elas funcionam? Quais benefícios eles trazem para os sistemas baseados em visão?

O módulo Optimom 2M apresenta o Topaz 2M, um sensor de imagem CMOS de obturador global de 2 megapixels que combina várias inovações desde a estrutura de pixel até a embalagem, até o próprio design do chip.

Em um mundo onde o desempenho puro do produto seria o único condutor no desenvolvimento do produto, os fabricantes de sistemas de visão selecionariam o maior pixel possível para maximizar a sensibilidade e a capacidade de saturação do dispositivo. No entanto, no mundo real, onde dinheiro, área ocupada e consumo de energia desempenham um papel importante, os fabricantes de sistemas de visão devem equilibrar seu desejo de maximizar o desempenho óptico do sistema dentro das restrições de tamanho e custo, procurando sensores de imagem com desempenho eletro-óptico ideal , que ainda pode caber em um determinado formato óptico.

Dependendo do formato óptico de destino, o tamanho máximo de pixel aceitável pode se tornar um desafio tecnológico. Além disso, passar de um formato óptico para um menor (por exemplo, de 1,1 polegada para 1 polegada) geralmente implica em uma redução significativa do tamanho do pixel, conforme destacado na Figura 2.

O Topaz 2M possui o menor pixel de obturador global do mundo, o que permite que ele seja combinado com lentes compactas e econômicas de 1/3 de polegada, ao mesmo tempo em que maximiza a sensibilidade e a relação sinal-ruído. Esse pixel, desenvolvido pela fundição TowerJazz usando sua tecnologia de 65 nm, permite que ele execute a operação global do obturador em um pequeno tamanho quadrado de 2,5 μm, aproveitando o conceito de estrutura de pixel compartilhado. No caso do sensor Topaz 2M, foi adotada uma estrutura de pixel compartilhado de 8T, oito transistores sendo compartilhados por dois pixels na diagonal, combinando assim os recursos avançados de estruturas de pixel de 6T, como redução in-pixel (também conhecido como CDS ou Correlacionado Duplo Sampling) e a sensibilidade aprimorada de estruturas 4T com apenas quatro transistores ocupando a superfície de cada pixel.

Além dessa estrutura, o sensor Topaz 2M e o módulo Optimom 2M se beneficiam de uma sensibilidade aprimorada devido a uma estrutura de pilha ótica disruptiva na parte superior do pixel. O pixel otimiza o passo do pixel com uma lente superior sem lacunas para evitar perda de luz e reflexos indesejados, mas a verdadeira invenção está na chamada arquitetura de "tubo de luz duplo" que guia diretamente a luz para o fotodiodo através de fibras micro-ópticas criadas no pilha óptica do sensor, que joga com materiais de diferentes índices de reflexão.

A imagem mostrada na Figura 3 apresenta uma visão transversal da pilha ótica que está embutida nos produtos.

Além de otimizar o tamanho do pixel e a estrutura óptica, os sensores de imagem agora também podem se beneficiar dos avanços na tecnologia de embalagem para reduzir o custo, o peso e a pegada do sensor. Por alguns anos, as tecnologias de embalagem em nível de wafer têm crescido no mercado, especialmente para aplicações de consumo, como dispositivos móveis, automotivos ou vestíveis.

Embora os pacotes Ceramic Land Grid Array (CLGA) sejam usados ​​na indústria há muitos anos, os recentes avanços tecnológicos na redução do tamanho do pixel abriram as portas para pacotes em nível de wafer, mesmo para sensores de imagem de ponta destinados à inspeção industrial, logística ou robótica. Os pacotes CLGA requerem uma embalagem individual da matriz em uma estrutura de cerâmica, com áreas espaçadas na parte de trás para conexão com a placa do sensor, enquanto os pacotes em nível de wafer são produzidos em lotes de wafers.