光モジュール

製品ライフサイクルの加速とビジョンの使用事例の増加により、ビジョンシステムメーカーは新しい開発に投資する時間と資金を減らし、その付加価値に集中する以外に選択肢がなくなっています。

2022 年 9 月、Teledyne e2v は、まさにこの課題に対処するために、一連の MIPI CSI-2 モジュールの最初の Optimom 2M をリリースしました。 このモジュールは、固定レンズとオプションのマルチフォーカス レンズ テクノロジを備えたボード上に独自のイメージ センサーを搭載することにより、イメージングと光学における最新のイノベーションを 1 つのターンキー イメージング ソリューションに統合します。 しかし、それらのイノベーションとは何で、どのように機能するのでしょうか? これらはビジョンベースのシステムにどのようなメリットをもたらしますか?

Optimom 2M モジュールは、ピクセル構造からパッケージング、チップ設計自体に至るまで複数の革新を組み合わせた 2 メガピクセルのグローバル シャッター CMOS イメージ センサーである Topaz 2M を備えています。

純粋な製品性能が製品開発における唯一の推進力となる世界では、ビジョン システム メーカーは、デバイスの感度と飽和容量を最大化するために、可能な限り大きなピクセルを選択することになります。 しかし、現実の世界では、金額、設置面積、消費電力がすべて重要な役割を果たすため、ビジョン システム メーカーは、最適な電気光学性能を備えたイメージ センサーを探すことで、サイズとコストの制約内でシステムの光学性能を最大化したいという要望とのバランスを取る必要があります。 、特定の光学フォーマットにまだ収まります。

ターゲットの光学フォーマットによっては、許容可能な最大ピクセル サイズが技術的な課題になる可能性があります。 また、ある光学フォーマットからより小さな光学フォーマットへの移行 (たとえば、1.1 インチから 1 インチへ) は、​​図 2 で強調されているように、ピクセル ピッチの大幅な縮小を意味することがよくあります。

Topaz 2M は世界最小のグローバル シャッター ピクセルを備えており、感度と S/N 比を最大化しながら、コンパクトでコスト効率の高い 1/3 インチ レンズと組み合わせることができます。 このピクセルは、TowerJazz ファウンドリが 65nm テクノロジーを使用して開発したもので、共有ピクセル構造の概念を活用することで、小さな 2.5μm 四方サイズでグローバル シャッター動作を実行できます。 Topaz 2M センサーの場合、8T 共有ピクセル構造が採用されており、8 個のトランジスタが対角の 2 つのピクセルで共有されているため、ピクセル内削減 (別名 CDS または相関ダブル) などの 6T ピクセル構造の高度な機能が組み合わされています。サンプリング）と、各ピクセルの表面を占めるトランジスタが 4 つだけの 4T 構造の感度の向上です。

この構造に加えて、Topaz 2M センサーと Optimom 2M モジュールは、ピクセル上部の破壊的な光学スタック構造による感度の向上の恩恵を受けています。 このピクセルは、光の損失と不要な反射を避けるためにギャップのないトップレンズでピクセルピッチを最適化しますが、本当の発明は、内部で作成されたマイクロ光ファイバーを通じてフォトダイオードに光を直接導く、いわゆる「デュアルライトパイプ」アーキテクチャにあります。センサーの光学スタック。異なる反射率の素材を使用します。

図 3 に示す画像は、製品に組み込まれた光学スタックの断面図を示しています。

ピクセル サイズと光学構造の最適化とは別に、イメージ センサーはパッケージング技術の進歩の恩恵も受けて、センサーのコスト、重量、設置面積を削減できるようになりました。 ここ数年、特にモバイル、自動車、ウェアラブルなどの民生用アプリケーション向けに、ウェーハレベルのパッケージング技術が市場で急成長しています。

セラミック ランド グリッド アレイ (CLGA) パッケージは業界で長年使用されてきましたが、ピクセル サイズを縮小する最近の技術進歩により、工業用検査用のハイエンド イメージ センサーであっても、ウェハー レベル パッケージへの扉が開かれました。物流とかロボットとか。 CLGAパッケージでは、センサーボードに接続するために背面に間隔をあけたランドを備えたセラミック構造にダイを個別にパッケージングする必要がありますが、ウェハレベルのパッケージはウェハのバッチで製造されます。

ファンアウト ウェーハ レベル パッケージの場合、シリコン ウェーハは個別のセンサー ダイにダイシングされ、すべてリモールドされたガラス基板ウェーハに埋め込まれ、その後個別にパッケージ化されたセンサーに切断されます。 プロセスとパッケージ サイズの最適化は、別のカテゴリのウェハ レベル パッケージングでさらに一歩進みます。チップ スケール パッケージングでは、シリコン ウェハの周囲にガラス基板を成形する中間ステップを行わずに、シリコン ウェハが材料に直接パッケージ化されます。 これにより、イメージセンサーがさらに小型化、コンパクト化されます。 どちらのカテゴリーのウェハーレベル・パッケージングでも、イメージ・センサーのボードへの背面接続は、より高密度の接続を提供するボールによって確保されており、ドローンや自動化システムなどの組み込みシステム向けの小型軽量イメージング・ソリューションを製造するという課題に対する優れたソリューションとなります。誘導車両。

これらのピクセル、センサー構造、およびパッケージングの革新を最近組み合わせたことにより、図 4 に示すタイムラインと例で強調されているように、わずか 5 年間で設置面積が 4 分の 1 に削減された新世代のイメージ センサーが可能になりました。

パッケージング技術とは別に、パッケージ化されるセンサー ダイの設計も最終システムのサイズに影響を与える可能性があります。 イメージ センサー メーカーが利用できる重要なトリックの 1 つは、パッケージの中心と光学中心をまったく同じ位置に一致させることで、最終的なシステム ハウジングを最小限に抑えることです。 現在でも一部のイメージ センサーで観察されている、光学中心とパッケージ中心の不一致の影響を図 5 に示します。

ピクセルピッチの縮小はイメージセンサーのコストとサイズにプラスの影響を与えますが、光学システムの多用途性、特に被写界深度には非常に悪影響を及ぼしています。

被写界深度は、物体を十分なレベルの鮮明さで撮影できる最も近い距離と最も遠い距離の差として定義でき、ピクセル サイズが小さくなり、焦点の合っていない画像に対する耐性が小さくなるにつれて減少します。 さまざまな作動距離で物体を捕捉する必要があるアプリケーション (物流センターでの小包追跡など) の場合、システム メーカーは十分な深度を維持するために、開口部が狭い光学系 (通常は F/7.0 または F/8.0) を探すのが一般的です。ピクセルサイズが小さくなったにもかかわらず、フィールドのサイズが小さくなります。

残念ながら、絞りを閉じると、レンズを通過してイメージ センサーに捕捉される光が少なくなるため、光感度が犠牲になります。 したがって、焦点調整技術の課題は、視覚システムの高感度を維持しながら、広い被写界深度を可能にすることです。 これはまさに、Optimom 2M 光学モジュールで開発されたマルチフォーカス レンズ テクノロジーによって解決される問題です。このテクノロジーは、広い F/4.0 絞りと 10 cm から無限までの広い作動距離を組み合わせています。

この独自のレンズスタック技術は、レンズの外形を変更して焦点を調整することでこれらの性能を実現します。 レンズ形状の制御は、モジュール基板の背面にある標準 FFC/FPC コネクタを通じて直接管理される I 2C プロトコル信号によって電子的に確保されます。 このコネクタは、MIPI CSI-2 データ出力、クロック管理、および I2C を介したイメージ センサーとマルチフォーカス レンズの制御を処理します。 このコンセプトにより、マルチフォーカスは、1ms 未満の高速応答時間や電磁効果に対する耐性など、他のフォーカス調整テクノロジーと比較して複数の利点を得ることができます。

Optimom 2M 光モジュールは、複数のイノベーションを活用することで、最先端の電気光学性能と高い汎用性を実現します。 埋め込みイメージ センサーは、ピクセル構造、光学スタック、ダイ パッケージングの革新を組み合わせて、高レベルの感度を維持しながら、手頃な価格の S マウント レンズに匹敵する小型軽量設計を可能にします。 オプションの統合マルチフォーカス レンズは、新しい焦点調整テクノロジーに依存しており、広い作動距離、高感度、高速応答時間の組み合わせを可能にします。

この記事は、Teledyne e2v (フランス、グルノーブル) のプロダクト マネージャー、Marie-Charlotte Leclac によって書かれました。 詳細については、ここを参照してください。

この記事は、Photonics & Imaging Technology Magazine 2022 年 11 月号に初めて掲載されました。

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