Vorteile der Sony SenSWIR-Technologie für SWIR-Kameras

Sony hat mit der Entwicklung seiner SenSWIR-Sensoren einen Grundstein für die zukünftige Weiterverbreitung der SWIR-Bilderfassung gelegt. Die InGaAs-Sensorarchitektur schafft dabei einen Quantensprung in puncto Pixelgröße und Bildhomogenität. Gleichzeitig ermöglicht sie die Bilderfassung mit hoher Quanteneffizienz im sichtbaren und SWIR-Bereich von 400 bis 1.700nm.

RAW eines InGaAs-Sensors (l.) mit typischen artefakten (vertikal Streifen, Flip-Chip Bondingfehler und teilweise Pixel Cluster Defekte) und durch Kamera-seitige korrekturfunktionen und Sensorkühlung optimiertes (r.). (Bild: Allied Vision Technologies GmbH)

Basierend auf dieser Technologie können nun hochauflösende SWIR-Kameras (derzeit bis 1.3MP) für Anwendungsbereiche mit hohen Anforderungen an Bildqualität und Präzision entwickelt werden. Allied Vision ist einer der ersten Hersteller, der die neuen InGaAs-Sensoren IMX990 und IMX991 von Sony in seiner Goldeye SWIR-Kameraserie anbietet. Ein wesentlicher Unterschied zwischen SenSWIR- und herkömmlichen Standard-InGaAs-Sensoren liegt in deren Aufbau. Dabei gibt es vier technische Unterschiede, die entsprechende Vorteile bieten:

RAW einer Goldeye G-130 VSWIR TEC1 mit IMX990 bei 20°C Sensor Temperatur. (Bild: Allied Vision Technologies GmbH)

Hybridisierungsverfahren

Die Verbindung des photosensitven InGaAs-Layers, der herstellungsbedingt auf der Ober- und Unterseite von einer Indium-Phosphid-Schicht (InP-Schicht) eingeschlossen ist, mit dem Silizium-basierten Auslese-IC erfolgt bei den SenSWIR-Sensoren nicht per Flip-Chip-Hybridisierungsverfahren, sondern über Kupfer-zu-Kupfer Verbindungen. Hierzu muss man wissen, dass beim Flip-Chip-Hybridisierungsverfahren auf InGaAs- und Silizium-Layer leitfähige Indium-Perlen (sogenannte Indium-Bumps) aufgetragen und diese nach möglichst genauer Ausrichtung mittels Druckes und Wärmezufuhr miteinander verbunden werden (Bild 2, oben). Die dabei entstehende Verbindung ist nicht für jeden Pixel von gleicher Qualität, was später im Sensorbild als Inhomogenität und Defektpixel (teilweise auch als größere Clusterdefekte) sichtbar wird. Dies ist bei dem von Sony angewandten Verfahren mittels Kupfer-zu-Kupfer Verbindungen nicht der Fall (Bild 2, unten).

Kleine Pixelgröße: Derzeit sind mittels Flip-Chip-Hybridisierungsverfahren Pixelgrößen von typischer Weise 15µm (VGA Sensorik) bis runter zu 10µm (SXGA Sensorik) möglich. Wohingegen bei SenSWIR-Sensoren durch die Verwendung von Kupfer-zu-Kupferverbindungen Pixelgrößen von nur 5µm erreicht werden. Somit können durch die SenSWIR-Technologie höhere Auflösungen bei gleichzeitig kompakterer Sensor- und damit auch Kamera-Bauform erreicht werden. Die kleine Pixelgröße ist vor allem für SWIR-Anwendungen mit hohen Anforderungen an Auflösung und Präzision wichtig, wie beispielsweise bei der Qualitätsprüfung von Optiken für Laser-basierte Vermessungssysteme zur Beurteilung des Auflösungsvermögens und der Ermittlung der Modulationstransferfunktion. Kleine Pixel sind jedoch nicht immer von Vorteil. Hier ist zu bedenken, dass kleinere Pixel auch eine entsprechend geringere Sättigungskapazität haben und somit weniger lang bei gleicher Beleuchtung belichtet werden können. Die Sättigungskapazität des Sensors hat auch einen Einfluss auf den Dynamikbereich der Kamera, der stark vom Ausleserauschen abhängt. Letzteres ist bei den SenSWIR-Sensoren vergleichsweise hoch, so dass der Dynamikbereich bei nur etwa 60dB liegt gegenüber ca.70-75dB für Kameras mit anderer InGaAs-Sensorik. Dies erschwert insbesondere den Einsatz von SenSWIR-Sensoren in Anwendungen mit wenig Licht.

Einfluss der Sensortemperatur auf die homogenität von SenSWIR InGaAs Sensoren. (Bild: Allied Vision Technologies GmbH)

Auslese-ICs

Der Auslese-IC der SenSWIR-Sensorik ähnelt stark anderer hochwertiger industrieller Global-Shutter-CMOS-Sensoren von Sony. Er gibt die Bilddaten bereits in digitaler Form aus, wohingegen die meisten Standard-InGaAs-Sensoren diese über mehrere analoge Kanäle ausgeben, die dann noch zusätzlich über externe Analog Digital Converter (ADCs) digitalisiert und abgestimmt werden müssen.

Hohe Bildhomogenität: Durch die schwer abgleichbaren externen ADCs zeigen analoge InGaAs-Sensoren die für sie charakteristischen vertikalen Streifen im Roh-Bild (RAW Format), die im Allgemeinen durch 2-Punkt-Korrektur im Kamera-FPGA ausgeglichen werden. Diese 2-Punkt-Korrektur korrigiert dabei auch die durch das Flip-Chip Hybridisierungsverfahren verursachte Pixel-Inhomogenitäten.

(Bild: Allied Vision Technologies GmbH)

Hohe Bildhomogenität

SenSWIR-Sensoren weisen hingegen dank der Kupfer-zu-Kupfer-Verbindung eine wesentlich höhere Pixel-Homogenität auf. Und dadurch, dass die ADCs bereits im Sensor integriert sind, sind auch die vertikalen Streifen nicht sichtbar. Zudem ist auch der Anteil der defekten Pixel niedriger im Vergleich zu anderen Sensoren und es gibt kaum Clusterdefekte. Nur bei genauer Betrachtung sind bei den SenSWIR-Sensoren leichte Inhomogenitäten erkennbar, die jedoch mit sinkenden Sensortemperaturen abnehmen. Eine Sensorkühlung ist daher bei Anwendungen mit hohen Ansprüchen an die Bildhomogenität und reproduzierbare Bildgebungsergebnissen (wie im wissenschaftlichen Bereich) sowie bei Langzeitbelichtungen von Vorteil. Eine kameraseitige Korrektur der Inhomogenitäten (NUC, Non-Uniformity Correction) erlaubt es, eine moderate Sensortemperatur zu wählen, um so den Leistungsverbrauch der Kamera niedriger zu halten, was auch für die Effizienz der Sensorkühlung von Vorteil ist.

SenSWIR-Sensor-Architektur im Vergleich zu herkömmlichen InGaAs-Sensoren. (Bild: Allied Vision Technologies GmbH)

Automatische Dunkelstromkorrektur

Die SenSWIR-Sensoren haben abgeschirmte Pixel, die nicht vom Licht beleuchtet werden. Diese Pixel werden verwendet, um in Echtzeit den durch Dunkelstrom verursachten mittleren Schwarzwert zu bestimmen. Bei entsprechender Aktivierung der automatischen Schwarzwertkorrektur wird der ermittelte Schwarzwert vom Pixelwert eines jeden effektiven Pixels automatisch abgezogen, was einer sensorseitigen Dunkelstrom-Korrektur entspricht, die sonst typischerweise im FPGA der Kamera erfolgt, wie beispielsweise bei einer Background Correction.

Dünne Indium-Phosphid-Schicht

Die für die Herstellung von InGaAs-Sensoren unvermeidbare obere Indium Phosphid Schicht ist durch die verwendeten Herstellungsprozesse wesentlich dünner, so dass auch sichtbares Licht die photosensitive InGaAs-Schicht erreichen kann. Im Gegensatz zu Standard-InGaAs-Sensoren bei denen die obere InP-Schicht oft nachträglich mechanisch abgetragen wird, ist es Sony als erstem Hersteller gelungen, die Quanteneffizienz über den gesamten Spektralbereich auf einem relativ hohen Niveau (>50 %) zu halten. Insbesondere in Multispektralanwendungen können so die Systemkosten gesenkt werden, da nur eine Kamera benötigt wird.

Quanteneffizient von Sony SenSWIR-Sensoren in Abhängigkeit von der Wellenlänge. (Bild: Allied Vision Technologies GmbH)

Fazit

Die digitalen SenSWIR-Sensoren von Sony setzen neue Maßstäbe hinsichtlich Pixelgröße (5µm), Bildhomogenität und spektraler Sensitivität von InGaAs-basierten Sensoren für den SWIR-Bereich. Durch sie werden vor allem Anwendungsbereiche adressiert, die eine große Flexibilität bei der spektralen Analyse und Erkennung von Objekten sowie eine präzise Erkennung von Details erfordern. Dennoch werden die neuen InGaAs-Sensoren von Sony nicht für alle Anwendungsfelder optimal geeignet sein, da sie Einschränkungen hinsichtlich Sensitivität und Dynamik aufweisen. Je nach Anforderungen der Applikation haben Kunden jetzt mit den SenSWIR-Sensoren zusätzliche Optionen einen geeigneten Sensor auszuwählen. Entscheidende Faktoren sind hier Auflösung, Pixelgröße, Spektralbereich, Sensitivität und der Dynamikbereich, der stark von der Sättigungskapazität und dem Ausleserauschen abhängt. Wir dürfen gespannt sein, wie die nächsten Verbesserungsschritte der SenSWIR-Technologie aussehen und wie sich die etablierten InGaAs-Sensorhersteller hier zukünftig aufstellen.