快速背照式光感技术：捕捉超百万帧每秒

高速成像的速度与分辨率权衡

高速成像技术以每秒百万帧以上的速度，成为科学和工程研究中捕捉转瞬即逝事件的宝贵工具。然而，达到如此高速并非没有代价。大多数高速摄像机设计为最大千兆像素/秒（Gpx/sec）吞吐量，通过帧率与分辨率的权衡来实现。例如，一款 25 Gpx/sec 的摄像机在 1280×800 像素分辨率下可达 25,700 fps，若降低分辨率至 1280×720 则可提升至 28,500 fps，两者吞吐量近似。而百万 fps 级别的超高帧率往往伴随极低分辨率，导致观测主体变得更加困难。

曝光时间与照明挑战

随着帧率提升，像素接收光线的曝光时间急剧缩短。在 25,700 fps 下，单帧最大曝光为 39 微秒（µs）；而在 100 万 fps 下，最大曝光仅 733 纳秒（ns）。极短曝光要求极高照度补偿，但许多高速应用面临“光照不足”问题——现有光源无法在极短曝光内提供足够光子，甚至在某些场景下难以实施。

背照式（BSI）传感器的突破

近期，一种采用背照式（BSI）架构的新型高速图像传感器打破了速度-分辨率-灵敏度的制约。BSI 将金属布线层移至像素背面，使受光面直接面向光源，显著提升光子捕获效率。该传感器于 2021 年 3 月随 Phantom TMX 系列摄像机首发，最高机型可在全分辨率 1280×800 下实现 76,000 fps，吞吐量较前代 CMOS 传感器提升三倍。

BSI 如何改善高速成像

提升填充因子

传统前照式（FSI）传感器的金属电路遮挡部分入射光，填充因子仅 50%-60%，虽有微透镜补偿但效果有限。BSI 结构将电路移至背面，填充因子接近 100%，大幅增强感光能力。

提高处理速度

像素阵列速度受 RC 时间常数限制。FSI 因需透光，金属层厚度受限，导致高帧率下处理开销大、吞吐量下降。BSI 无此限制，可大幅增加金属布线，降低电阻，消除开销，即使在超高帧率/低分辨率组合下仍能维持最大 Gpx/sec 吞吐量。

为何 BSI 迟迟未用于高速成像？

核心原因是尺寸。高速相机像素尺寸远大于消费级相机（如手机像素 <2 µm，高速传感器像素 6-28 µm）。大尺寸传感器制造难度大，需额外的晶圆背面减薄、退火等工序，良率难以控制。半导体经济效应也使得从大批量消费级向小批量高速传感器的技术迁移耗时颇长。

BSI 传感器确立的新标杆

• 速度： 首款搭载相机在全 100 万像素（1280×800）下达 76,000 fps；配合分辨率降低和像素合并，最高达 175 万 fps（1280×32 分辨率）和 640×64 像素合并模式。1280×32 分辨率已满足众多科学应用需求。
• 曝光时间： 最短曝光 95 ns（需出口管制 FAST 选项），可冻结更高速运动，消除运动模糊，适用于流式细胞术、燃烧分析等领域。
• 像素尺寸： 新传感器像素 18.5 µm，面积仅 342 µm²，远小于前代 FSI 传感器的 28 µm（784 µm²）。得益于 BSI 高量子效率，其在三倍速度下灵敏度相当于 28 µm 像素。更小像素提升奈奎斯特采样频率，增强空间分辨力，改善 PIV、DIC 等应用表现。

超越 BSI 的设计创新

解决模数转换（ADC）挑战

新传感器集成 40,000 个 ADC（常规 CMOS 仅 1,000-10,000），每个 523 ns 完成一次转换，产生海量数据。为此采用 160 条 >5 Gbps 高速串行输出，技术源自 CPU/FPGA 领域。ADC 密度带来功耗与串扰难题，经设计合作伙伴 Forza Silicon 通过建模技术消除串扰伪影。

像素合并实现最大吞吐量

支持 2×2 像素合并，缓解列 ADC 架构限制，实现比单纯降低 Y 维度更高的帧率。此举旨在提速而非增感，区别于 CCD 合并用途。

BSI 的差异化价值

BSI 技术在手机和普通相机已成熟应用十余年，此次引入高速成像领域，创造了在弱光条件下兼顾极高速度的传感器，推动高速成像边界向前迈进。

本文由 Vision Research 首席科学家 Radu Corlan、研发部副总裁 Kevin Gann 及 Forza Silicon 工程副总裁 Loc Truong 撰写。更多信息请联系 Kevin Gann 或访问官网。