Пользователи систем видеонаблюдения часто интересуются, что такое STARLIGHT-камера
Давайте подробно разберём вопрос, который часто задают пользователи систем видеонаблюдения: «Что такое STARLIGHT камера?»
Это обозначение светочувствительных камер видеонаблюдения следующего поколения, в основе которых применяется новая пиксельная технология BSI. BSI-сенсоры — это передовые светочувствительные датчики изображения, созданные на основе технологии BSI. Они используются в современных видеокамерах наблюдения, предлагая новый уровень безопасности и охраны.
С внедрением ИИ в сенсоры изображения технология Sensor-Shift AI (или «нейросетевое управление экспозицией на уровне пикселя») стала главным технологическим прорывом, окончательно решившим проблему динамического диапазона и ночной съемки без использования «медленного затвора» (Slow Shutter). Для этого требуются светочувствительные сенсоры изображения CMOS BSI. И если внедрение AI в сенсоры видеокамер только началось, то использование светочувствительных сенсоров изображения уже норма для любой высококачественной видеокамеры наблюдения. Об этом и поговорим в этой очередной нашей статье, посвященной светочувствительным камерам наблюдения.
Пользователи систем видеонаблюдения часто задаются вопросом: что такое STARLIGHT-камера? Это обозначение можно встретить в предложениях по установке видеонаблюдения. Однако, если вы увидите в интернете информацию о STARLIGHT-технологии, то это может быть вводящий в заблуждение контент, так как на самом деле такой технологии не существует.
Вводная часть:
На самом деле, существует новая светочувствительная технология BSI, применяемая в производстве светочувствительных сенсоров изображения, на основе которой были созданы улучшенные высокочувствительные CMOS сенсоры изображения следующего поколения. Они были разработаны на основе уже ранее существующих CMOS SCAN сенсоров изображения. В CMOS сенсорах изображения следующего поколения с обозначением BSI была изменена пиксельная архитектура построения пикселя, что позволило в разы улучшить светочувствительность при работе в условиях сложной освещенности. Новые CMOS сенсоры имеют обозначение тип архитектуры BSI (Back Side Illuminated).
Однако люди, не обладающие глубокими знаниями в этой области, могут ошибочно называть эту технологию «технологией STARLIGHT» — это простой маркетинг, даже если они успешно продают камеры видеонаблюдения. Сегодня некоторые из новых камер с улучшенной светочувствительностью работают как раз за счет применения нового типа сенсоров CMOS BSI. Камеры с сенсорами BSI называют STARLIGHT. Это название отражает их высокую светочувствительность, достигнутую благодаря применению сенсоров нового поколения. При этом важно понимать, что это открытый термин вне зависимости от производителя сенсора изображения технологии BSI, таких как Sony, OmniVision, ON Semi и т.д.
В CMOS сенсорах изображения, выпускаемых массово ранее, подсветка пикселя расположена спереди, то есть с фронтальной части, такой тип имеет обозначение FSI (фронтальная засветка пикселя). Поэтому, если вы увидите термин «технология STARLIGHT» в статье, это может указывать на то, что её написал маркетолог для привлечения внимания к конкретному продукту, что сейчас встречается очень часто.
Почему BSI-сенсоры массово производятся многими лидерами-производителями сенсоров изображения, а не кем-то одним? Архитектура построения пикселя с так называемой задней засветкой впервые была обнаружена группой институтов, работающих по улучшению цифрового зрения для NASA, в середине 90-х — в начале 2000-х годов. Технология была очень сложной и затратной для перехода к массовому производству, а также нуждалась в дальнейших улучшениях и усовершенствованиях. К концу 2000-х Sony одна из первых перешла к массовому производству сенсоров изображения, разработанных на основе светочувствительной BSI-платформы.
Давайте вернёмся к теме камер с обозначением как класс STARLIGHT.
Это обозначение на камере STARLIGHT используется для камер с высокой светочувствительностью, в отличие от камер с устаревшими сенсорами изображения, известными как CMOS типа [FSI] с фронтальной засветкой пикселя, применяемой во всех камерах ранее, которые обладают меньшей светочувствительностью. Сегодня сенсоры изображения BSI поставляют все ведущие разработчики КМОП-сенсоров. Данный тип сенсоров постоянно совершенствуется. Прорывная особенность BSI-архитектуры пикселя позволила даже на небольших по размеру пикселях получить высокую светочувствительность, что не было доступно при фронтальном типе засветки пикселя.
С 2022-23 года появилось второе поколение камер с технологией BSI-2GEN. Для сенсоров изображения Sony это обозначение как CMOS STARVIS 2 IS BACK ILLUMINATED PIXEL TECHNOLOGY (фото сверху), которая представляет собой заднюю засветку пикселей (тест будет в конце страницы). Сегодня многие ведущие поставщики сенсоров изображения предлагают в своих линейках решения, разработанные на прорывной пиксельной архитектуре BSI.
В 2000-х были сделаны основополагающие шаги на стадии экспериментов в разработках сенсоров с новой пиксельной архитектурой с задней подсветкой пикселя (позднее известная светочувствительная BSI-платформа). Она и стала настоящим прорывом цифрового зрения в условиях сложной освещенности. Однако новая технология улучшения светочувствительности КМОП-матриц оказалась слишком дорогой и неидеальной для массового производства. Потребовалось много времени и усилий, чтобы довести этот тип сенсора с обозначением CMOS BSI (Back Side Illuminated) до массового выпуска. Постепенно технология стала переходить от стадии экспериментов к активному внедрению. Компания Sony не вдавалась в подробности сложности создания сенсоров платформы BSI собственной разработки, но компания OMNI предоставила подобный релиз «Альянс Omnivision-TSMC R&D: переход к массовому производству BSI сенсоров изображения», который приводится ниже в этой статье.
Тут важно понимать, что все ведущие производители матриц, такие как Sony, Omnivision, On Semiconductor и другие, активно работали в этой области, участвуя в гонке по разработке собственных решений, основанных на общей начальной [BSI]-платформе, чтобы оставаться на конкурентоспособном и многообещающем рынке.
В этом контексте упомянем компанию Sony и ее разработки на базе платформы BSI.
Нужно заметить, что в 2015-16 году компания Sony представила новую линейку сенсоров платформы BSI с логотипом STARVIS. STARVIS-сенсоры принадлежат Sony и разработаны целенаправленно для приложений безопасности — камер видеонаблюдения. Эта марка получила патент и заменила выпускаемые ранее сенсоры CMOS EXMOR (не путайте с EXMOR-R / EXMOR-RS для фототехники). EXMOR-тип — это сенсор изображения, который выпускался ранее и имел общепринятую фронтальную засветку пикселя с кратким обозначением [FSI].
STARVIS — под этой маркой Sony продвигает собственные сенсоры изображения следующего поколения. Эти сенсоры оснащены передовой технологией проектирования пикселей BSI-CMOS, разработанной Sony на базе BSI-платформы. Материнская BSI-платформа, разработки которой были начаты ранее группой исследовательских институтов аэронавтики и космических исследований, имела целью улучшение цифрового зрения в условиях низкой освещённости по заказу и финансированию NASA.
Sony первой массово внедрила новый тип сенсоров с архитектурой BSI для видеокамер, как профессиональных, так и потребительских. Вскоре другие ведущие производители представили свои решения на базе светочувствительной платформы CMOS BSI.
Давайте более подробно рассмотрим, какие ещё разработчики представили сенсоры изображения с архитектурой BSI. Например, компания Omnivision анонсировала свои новые светочувствительные сенсоры следующего поколения под названием OmniBSI. ON Semiconductor в спецификациях своих сенсоров изображения указывает архитектуру CMOS BSI. Аналогично поступили и другие крупные игроки на рынке поставок сенсоров.
Следует отметить, что каждая компания стремилась развивать и улучшать свои собственные разработки для массового производства сенсоров изображения, основанных на BSI-платформе. Однако переход к этому процессу был очень сложным.
.jpg)
Рассмотрим релиз презентации сенсоров изображения от Альянс Omnivision-TSMC R&D, платформы BSI.
Массовое производство датчиков изображения BSI CMOS
H. Rhodes, D. Tai, Y. Qian, D. Mao, V. Venezia, Wei Zheng, Z. Xiong, C.Y. Liu, K.C. Ku, S. Manabe, A. Shah, S. Sasidhar, P. Cizdziel, Z. Lin, A. Ercan, M. Bikumandla, R. Yang, P. Matagne, C. Yang, H. Yang, T.J. Dai, J. Li: S.G. Wuua, D.N. Yaunga, C.C. Wanga, J.C. Liua, C.S. Tsaia, Y.L.Tua, T.H. Hsua.
Omnivision Technologies, Inc. (OVT) 4275 Burton Dr, Santa Clara, CA 95054. Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Taiwan, R.O.C. (TSMC)
Многочисленные усовершенствования дизайна и процесса пикселей были обусловлены необходимостью поддерживать или улучшать качество изображения при все меньшем размере пикселя. Основным достижением в технологии формирования изображений является массовое производство технологии Backside Illumination (BSI) для датчиков изображения с низкой стоимостью и высокой производительностью.
Альянс Omnivision-TSMC R&D был сосредоточен на разработке недорогой технологии BSI, которая обеспечивает высокую производительность на пиксельном узле 1,4 мкм. Мы сообщаем о производительности двух продуктов BSI, оба в массовом производстве, с использованием одного и того же дизайна и процесса пикселя BSI 1,4 мкм.
Для пикселя 1,4 мкм пиковая квантовая эффективность (QE) составила 43,8%, 53,6%, 51,6% в красном, зеленом и синем каналах соответственно, с низкими перекрестными помехами, превосходной производительностью Gb/Gr, общим шумом чтения 2,3e и низким темновым током. Для пиксельных продуктов 1,75 мкм базовый процесс BSI был повторно оптимизирован для достижения пикового QE 53%, 60,2% и 60,4%. Наши испытания не обнаружили никаких проблем с надежностью, связанных с архитектурой OmniBSI™.
Для пикселей размером 1,75 мкм и меньше BSI обеспечивает несколько преимуществ по сравнению с датчиками фронтальной подсветки (FSI): квантовая эффективность, перекрестные помехи, цветовое затенение, чувствительность, 100%-ный коэффициент заполнения и лучшее принятие более светосильных линз. Еще одним ключевым преимуществом BSI является устранение объемной подложки, что существенно снижает как диффузионную составляющую темнового тока, так и электрические перекрестные помехи.
Проблемы и задачи BSI, которые были решены:
- ● Объединить FS с обработкой BS для эффективной доставки электронов к фотодиоду с высоким QE.
- ● Разработать низконапряженное, без пустот BS-склеивание пластин.
- ● Разработать процесс утончения BS с жестким контролем толщины.
- ● Полностью пассивировать поверхность BS для достижения низкого темнового тока.
- ● Создать металлический световой экран BS методом точного травления.
- ● Обеспечить точное совмещение CFA и микронной линзы для цветного визуализатора.
- ● Реализовать всё вышеперечисленное с помощью низкозатратного процесса при высоком выходе.
Продукты BSI, правила дизайна и пиксельный дизайн сенсоров изображения:
Представленные данные получены в результате характеризации нескольких продуктов. Данные пикселя BSI размером 1,4 мкм получены из двух продуктов BSI, находящихся в массовом производстве. Данные пикселя BSI размером 1,75 мкм получены из трех продуктов BSI. Все эти продукты BSI используют общую конструкцию с двумя общими симметричными пикселями.
В отличие от датчиков изображения FSI, где правила проектирования BEOL максимально усилены для повышения коэффициента заполнения, а медная технология может использоваться вместе с утопленной матрицей для уменьшения высоты стека, правила проектирования BSI могут быть соответствующим образом смягчены для экономии затрат и достижения лучшего углового отклика.
Первое поколение совместно разработанной Omnivision-TSMC технологии BSI, технологии OmniBSI, использует комбинацию правил проектирования 90 нм и 110 нм с использованием обработки Al BEOL. Правила проектирования специально адаптированы и усилены там, где это необходимо для улучшения конструкции пикселя и производительности изображения.
Ограничения по толщине металла и количеству металлических слоев смягчаются, что позволяет уменьшить размер чипа и повысить скорость за счет использования большего количества и более толстых металлических слоев для периферийных цепей.
Процесс производства CMOS сенсоров изображения BSI
Схема технологического процесса BSI (Backside Illumination)
Характеристики квантовой эффективности и цветопередачи
Рисунок 2. Квантовая эффективность каналов R, G и B в зависимости от длины волны
Рисунок 2 показывает квантовую эффективность каналов R, G и B в зависимости от длины волны. Пиковые квантовые эффективности 44%, 54% и 52% достигаются на каналах R, G и B соответственно, а также низкие оптические и электрические перекрестные помехи.
Мы вычисляем эффективную черно-белую QE 62% в синей и зеленой областях видимого спектра с уменьшением до 46% в красной. Поскольку в массиве нет металла, коэффициент заполнения микролинз составляет 100%, а микролинзы служат для фокусировки падающего излучения для улучшения перекрестных помех. Высокая синяя QE является сильным индикатором эффективной пассивации поверхности BS. Чувствительность 671 мВ/люкс-сек достигается при 530 нм.
Каналы Gb и Gr явно показаны на рисунке 3, чтобы продемонстрировать почти идентичную производительность этих каналов, что является индикатором низких перекрестных помех и симметричной конструкции пикселей. Преимущество низкого перекрестного искажения заключается в том, что необработанные изображения обеспечивают разумную цветопередачу без CCM при всех источниках освещения.
Низкая высота стека BSI позволяет использовать высокоскоростные объективы с низким F/#. Это также обеспечивает широкий угол приема, так что высокая производительность QE поддерживается по всему массиву изображения. На рисунке 4 мы показываем цветовое затенение необработанных каналов R, G и B по всей матрице изображения без какой-либо коррекции затенения линз.
Для измерения производительности S/N (сигнал/шум) при слабом освещении как пикселя 1,4 мкм, так и пикселя 1,75 мкм, необработанные изображения через объектив F/2,8 собираются из 18% серого пятна от источника света 3200K. Для пикселя 1,4 мкм S/N=10 достигается при 110 Lux, что согласуется с теоретически рассчитанной производительностью.
Низкий уровень освещенности может ухудшиться из-за шума чтения и задержки. Шум чтения при аналоговом усилении 8x был разбит на компонент пикселя (1,9e) и компонент периферийной схемы (1e) для общего шума чтения 2,3e.
Изменение задержки может быть еще одним источником шума, проявляясь как FPN пикселя. На рисунке 6 мы показываем задержку как функцию уровня светового сигнала. Задержка низкая во всем диапазоне сигнала. Данные на рисунке 6 ясно показывают, что задержка не является проблемой для пикселя BSI 1,4 мкм при всех уровнях сигнала.
Яркостное соотношение сигнал/шум (S/N)
Рисунок 5. Яркостное S/N после CCM и AWB в зависимости от уровня освещенности (lux)
Темновой ток и FPN (Fixed Pattern Noise) являются критическими параметрами для всех датчиков изображения. Высокий темновой ток может существенно ограничить производительность при слабом освещении, внести паразитный шум и снизить полезный выход сигнала.
На рисунке 7 (в материалах релиза) показано необработанное темное изображение, полученное при экстремальных условиях: время интегрирования 9 секунд при комнатной температуре (RT), с 8-кратным аналоговым и 32-кратным цифровым усилением.
Несмотря на колоссальное усиление, общее значение FPN составляет всего 0,7e. При этом полностью отсутствует специфический шум строк или столбцов, что свидетельствует о высочайшем качестве архитектуры BSI и схемотехники считывания.
Анализ темнового тока и температурных зависимостей
Рисунок 8. Гистограмма темнового тока отдельного пикселя 1,4 мкм при 50°C
Гистограмма темнового тока отдельного пикселя при 50°C для всего 8-мегапиксельного сенсора показана на рисунке 8. Пик темнового тока при этой температуре соответствует 27 е/сек.
Температурная стабильность и реальные условия съемки
Рисунок 9. Зависимость темнового тока от температуры (FS vs BS обработка)
На рисунке 9 мы показываем температурную зависимость измеренного темнового тока для пикселей 1,4 мкм и 1,75 мкм, измеренную после обработки FS (frontside), и деталей, измеренную после полной обработки BS (backside).
Полностью обработанные детали BS достигают темнового тока 23–27 e/sec при 50°C и менее 1 e/sec при комнатной температуре. Энергия активации 1,1 эВ измерена для деталей, обработанных как FS, так и BS. Мы обнаружили, что компоненты FS и BS вносят одинаковый вклад в общий темновой ток.
Это подтверждает высокую эффективность пассивации поверхности и качество используемого эпитаксиального слоя в недорогой технологии BSI на базе объемного кремния.
На рисунке 10 показаны характеристики цветного изображения 1/3,2-дюймового 8-мегапиксельного сенсора при освещенности 100 люкс и частоте 15 кадрах в секунду.
Данный пример демонстрирует возможности архитектуры BSI в условиях реальной эксплуатации, обеспечивая высокую четкость и правильную цветопередачу даже при умеренном освещении без привлечения агрессивных алгоритмов шумоподавления.
Демонстрация работы сенсора и сводные характеристики
Рисунок 10. Кадр 8 Мп при освещенности 100 люкс (15 кадров в секунду)
На рисунке 10 наглядно представлена работа 8-мегапиксельного сенсора в условиях освещенности 100 люкс.
Таблица 1 (приведенная в полной версии релиза) суммирует производительность пикселей размером 1,4 мкм и 1,75 мкм. Превосходный показатель PRNU (неравномерность отклика на фотоны) является прямым результатом крайне низких оптических и электрических перекрестных помех, достигнутых благодаря архитектуре BSI.
Низкие перекрестные помехи позволяют сохранять естественную цветопередачу и высокую детализацию без появления артефактов, характерных для сенсоров предыдущих поколений (FSI).
Сравнительный анализ производительности пикселей 1,4 мкм и 1,75 мкм
Таблица 1. Сводные характеристики производительности пикселей и технологического процесса
Пиксель BSI 1,75 мкм использует ту же базовую конструкцию, правила проектирования и технологический процесс, что и технология пикселя 1,4 мкм. При этом была проведена повторная оптимизация процесса с учетом большего размера пикселя. Таблица 1 наглядно демонстрирует показатели производительности пикселя 1,75 мкм, который уже находится в массовом производстве.
На рисунке 11 (см. ниже) представлена производительность QE в зависимости от длины волны. Благодаря увеличению размера пикселя достигнуты впечатляющие пиковые значения QE: 53,0% (красный), 60,2% (зеленый) и 60,4% (синий).
Для этого пикселя показатель S/N=10 достигается уже при 60 люкс (на экспериментально измеренных изображениях), что значительно превосходит показатели меньших сенсоров. Это подтверждает прямую зависимость светочувствительности от площади пикселя в архитектуре BSI.
Гистограмма темнового тока (Рисунок 12) показывает значение 22 e/sec при 50 °C. Измеренная энергия активации (Ea) составляет 1,10 эВ. Полученные данные полностью согласуются с теоретическими расчетами, базирующимися на квантовой эффективности.
Рисунок 11. QE в зависимости от длины волны
Графики спектральной чувствительности и статистического распределения темнового тока для пикселя 1,75 мкм
Надежность архитектуры OmniBSI
Квалификация надежности архитектуры OmniBSI от Omnivision требует тестирования как CLCC, так и CSP корпусных деталей. Тесты включают: 1) 1000 часов HTOL при 125 °C, 2) 1000 часов HTS при 125 °C, 3) 1000 температурных циклов (от -40 °C до 125 °C), 4) 1000 часов влажности при 85 °C / 85% RHA, 5) тестирование ESD и 6) тестирование защелкивания (latch-up).
На сегодняшний день протестировано 4 партии с нулевым (0) отказом. Расчеты дают показатель FIT 28,2 и среднее время безотказной работы 2986 лет при 55 °C. Наши испытания не выявили проблем, связанных с архитектурой OmniBSI.
Перспективы SMP: пиксели 1,1 мкм и 0,9 мкм
С BSI стало возможным уменьшение пикселей до узла 1,1 мкм. Переходя к нормам 65 нм, можно сохранить область фотодиода достаточно большой для обеспечения емкости (full well capacity). Использование повторителя источника скрытого канала позволяет улучшить шум чтения и расширить динамический диапазон.
Для субмикронного пикселя (SMP) 0,9 мкм потребуется внедрение технологий RGBClear или CMY для преодоления порога S/N=10 при 245 люкс.
Выводы
CMOS-визуализаторы прошли через захватывающий период развития, обусловленный необходимостью сохранения качества при уменьшении пикселей. Для достижения лучшей в своем классе производительности при размерах пикселей 1,75 мкм и ниже BSI является безальтернативной технологией. Возможность запуска нескольких продуктов на различных узлах подтверждает, что процесс BSI находится под полным контролем и готов к массовому производству.
Список литературы
- Peter Noble, IEEE Trans. El Dev. 15, p. 202-209, 1968
- S. Chamberlain, IEEE J Solid-State Circuits SC-4 (6) p. 333-342, 1969
- P. Weimer et al., IEEE Spectrum 6 (3): p. 52-65, 1969
- P. Denyer et al, VSLI, p. 157-166, 1991
- E.R. Fossum Proc. SPIE Vol 1900, p. 2-14, 1993
- H. Rhodes et al., Workshop on Microelectronics and Electron Devices, p. 7-18, 2004
- C-R. Moon et al, IEDM Tech. Dig, p. 813-816, 2005
- J. Prima et al., Int. Image Sensor Workshop, p. 5-8, 2007
- T. Joy et al., IEDM Tech. Dig., p. 1007-1010, 2007
- J. Ahn et al., IEDM Tech. Dig. p. 275-278, 2008
- Y.Wu, P. Cizdziel, H. Rhodes, SPIE Electronic Imaging Conference, 2009
- J. Alakarhu, Int. Image Sensor Workshop, p. 1-4, 2007
- X. Wang et al, Int. Image Sensor Workshop, p. 223-225, 2007
- J. Ahn et al, IEDM Tech. Dig., p. 275-178, 2008
- M. Ihama et al, Proc. SPIE, p. 6656, 2007
Сравнение BSI первого поколения и BSI-2GEN в реальном времени
Этот демонстрационный макет предназначен для наглядного сравнения стандартных CMOS-сенсоров изображения FSI с новыми CMOS-сенсорами архитектуры BSI, а также для демонстрации их превосходства в светочувствительности.
Внимание! Видео трансляция не будет доступна для просмотра через VPN и с браузеров смартфонов, на которых не установлено обновляемое программное обеспечение.
Трансляция ведётся в режиме реального времени 24 часа в сутки.
-340x465.png)
У китайцев это называется COLLOR VAU, на которую они потратили много-много лет. В итоге просто применили матрицу Либо Sony STARVIS, либо OmniBSI и т д. Но написать же это нельзя надо что, то придумать что бы создать себе имидж чего-то собственного.
Очень позновательная статья — то, чего не хватает из реальных пониманий и знаний! Кругом только болтовня одна, и каждый китайский бренд хвалит себя непонятно в чем, в каких-то мнимых успехах в разработках камер наблюдения, на которые были потрачены много лет, только много лет потратили другие разработчики, а лихие поставщики камер присваивают их успехи непосредственно себе!
Отличная статья! Статья полностью раскрывает, на чем основано улучшение светочувствительности современных камер! То, что пишут подлоги и присваивают себе, так это от незнания. На глупости зарабатываются деньги и большие деньги, так почему бы этим не воспользоваться, если есть возможность приписать себе на счет всё, что принесет прибыль! Еще раз спасибо за отличный материал в статье!
Про BSI-технологию не так много в сети информации, тем более с полным описанием и принципами работы! Спасибо за информативную полезную статью!