Teledyne结合成像和光学领域的最新创新成果：Optimom2M模组

MEMS 2023-05-25 00:00

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随着现代科技的不断进步和市场竞争的日益激烈，产品的生命周期变得越来越短，因此制造商必须采取一些措施来加快产品的开发周期。此外，视觉系统在各行各业中的应用越来越广泛，需要同时考虑其性能和造价等多个方面的因素。

在这种情况下，制造商可以将资源集中在视觉系统的附加价值上，比如提升性能、增加功能、提高可靠性等等。通过这种方法，能够提高视觉系统的市场竞争力，进而获得更大的市场份额和利润。

2022年9月，Teledyne e2v发布了Optimom 2M，这是一系列MIPI CSI-2模组中的第一个产品，正是为了应对这一挑战而推出。该模组将成像和光学方面的最新创新结合到一个一站式成像解决方案中，通过将专有图像传感器安装到带有固定镜头或多焦点镜头技术的面板上。但这些创新具体有哪些，它们又是如何发挥作用的？它们给基于视觉的系统带来了哪些好处？

图像传感器创新

Optimom 2M模组采用Topaz 2M，这是一款200万像素全局快门CMOS图像传感器，结合了多种创新，从像素结构到封装直到芯片设计本身。

在一个纯粹的产品性能是产品开发的唯一驱动力的世界里，视觉系统制造商会选择尽可能大的像素，以最大化设备的灵敏度和满井容量。然而，在现实世界中，价格、外形尺寸和功耗都是重要的考虑因素，所以视觉系统制造商必须通过寻找具有最佳光电性能的图像传感器，来平衡他们在尺寸和成本限制内最大限度地提高系统光学性能的愿望，同时还能够适应某种光学格式。

根据目标光学靶面的不同，可接受的最大像素尺寸可能成为一个技术挑战。此外，从一种光学格式转变到更小的光学格式（例如从1.1英寸到1英寸）往往意味着像素尺寸的大幅减少，如图2中所强调的那样。

图1｜Topaz 2M传感器与手指的尺寸对比图

Topaz 2M具有极小的全局快门像素，这使得它能够与紧凑且经济高效的1/3英寸镜头相匹配，同时仍然最大限度地提高灵敏度和信噪比。这种像素由TowerJazz利用其65nm技术开发，通过利用共享像素结构的概念，使其能够在2.5μm的小尺寸中执行全局快门操作。在Topaz 2M传感器中，采用了8T共享像素结构，对角线上的两个像素共享8个晶体管，因此结合了6T像素结构的先进功能，如像素内校正（又称CDS或相关双采样），和4T结构的高灵敏度，因为每个像素的表面只占4个晶体管。

图2｜最大像素尺寸，以适应特定光学格式的特定分辨率

深思熟虑的光学堆栈

在这个结构的基础上，凭借像素顶部的开拓性光学堆栈结构，Topaz 2M传感器和Optimom 2M模组具有更高的灵敏度。像素通过无间隙顶部透镜优化像素间距，以避免光损失和不必要的反射，但真正的创新在于这种“双光管”架构，该架构通过在传感器的光学堆栈中创建的微光纤（不同反射率的材料）将光直接引导到光电二极管上。

图3｜集成像素的光学结构剖面图。图3所示的图像显示了嵌入产品中的光学堆栈的横截面图。

芯片封装

除了优化像素尺寸和光学结构之外，图像传感器现在还受益于封装技术的进步，可降低传感器成本、重量和外形尺寸。近几年来，晶圆级封装技术在市场上蓬勃发展，尤其是在移动、汽车或可穿戴设备等消费应用领域。

虽然传统陶瓷(CLGA)封装已在业界使用多年，但最近在缩小像素尺寸方面的技术进步为晶圆级封装打开了大门，它甚至用于工业检测、物流或机器人的高端图像传感器。传统陶瓷(CLGA)封装需要将裸片单独封装到一个陶瓷结构中，背面有间隔的焊盘，用于连接到传感器板，而晶圆级封装是成批生产的。

在扇出式晶圆级封装的情况下，硅晶圆被切成独立的传感器裸片，这些裸片全部嵌入到重塑的玻璃基板晶圆中，然后被切割成独立封装的传感器。对于另一类晶圆级封装，工艺和封装尺寸的优化更进一步，它就是芯片级封装，其中硅晶圆直接封装到材料中，去除了在其周围模制玻璃基板的中间步骤。这些工艺技术使得图像传感器越来越小、越来越紧凑。对于这两类晶圆级封装，图像传感器与电路板的背面连接由提供更高密度连接的球来确保，这是为嵌入式系统（如无人机或自动制导车辆）生产微型和轻型成像解决方案的绝佳解决方案。

这些像素、传感器结构和封装创新的最新组合使得新一代图像传感器的外形尺寸在短短五年内减少了四倍，参见图4所示的时间线和示例比对。

图4｜自2016年以来，随着封装和像素技术改进，图像传感器外形尺寸的演变

除了封装技术之外，待封装的传感器裸片的设计也会对最终系统的尺寸产生影响。图像传感器制造商可用的关键技巧之一是将封装中心与光学中心匹配到完全相同的位置，以此来尽量减少最终的系统外壳尺寸。图5说明了光学中心和封装中心不匹配的影响，今天在一些图像传感器中仍然可以看到这种情况。

图5｜裸片光学中心未在封装中居中时的空间损失图示

一项新技术

虽然像素的缩小对图像传感器的成本和尺寸有积极的影响，但它对光学系统的多功能性，特别是景深的影响相当不利。

景深可以定义为可以以足够的清晰度水平捕获物体的最近距离和最远距离之间的差异，随着像素的缩小和对失焦图像的容忍度变小，景深会减小。对于需要在不同工作距离上捕捉物体的应用（如物流中心的包裹跟踪），系统制造商通常会寻找较小的光圈光学器件（通常为F/7.0或F/8.0），以便在像素尺寸缩小的情况下保持足够的景深。

可惜的是，缩小光圈是以牺牲感光度为代价的，因为通过镜头被图像传感器捕获的光线更少。因此，现在调焦技术的挑战是在保持视觉系统的高灵敏度的同时实现更大的景深。这正是Optimom 2M光学模组中开发的多焦镜头技术所解决的问题，该技术结合了F/4.0大光圈，和从10cm到无限远的宽工作距离。

图6｜左：Optimom 2M模组的背面图，带有FFC/FPC连接器，用于控制传感器和镜头聚焦。右：嵌入多焦镜头的Optimom 2M模组的前视图。

这种专有的镜片堆叠技术通过调整镜片的面型曲率来调聚焦点，从而达到这些性能。镜片形状的控制是通过I²C协议信号来确保的，这些信号通过模组板背面的标准FFC/ FPC连接器直接管理。该连接器通过I²C处理MIPI CSI-2数据输出、时钟管理以及图像传感器和多焦镜头控制。与其他焦点调整技术相比，这一概念使多焦点具有多种优势，例如小于1ms的快速响应时间和抗电磁效应。

总结

Optimom 2M光学模组通过利用多种创新技术实现了先进的光电性能和高通用性。嵌入式图像传感器结合了像素结构、光学堆栈和裸片封装方面的创新，实现了小巧轻便的设计，能够与价格低廉的S型镜头相匹配，同时保持了高灵敏度水平。可选的集成式多焦镜头依靠一种新的焦点调整技术，同时实现了宽广的工作距离、高灵敏度和快速响应时间。

【本文由Teledyne e2v（法国格勒诺布尔）产品经理Marie Charlotte Leclerc撰写。如需获取更多信息，请访问https://www.teledyne-e2v.com/。】