De sensorervaringen die hij opdeed bij Imec, spin-off Fillfactory en de voortzetting daarvan onder Cypress-vlag nam Bart Dierickx mee naar zijn eigen bedrijf Caeleste. De ruimte is een terugkerend thema in de activiteiten van de Antwerpse beeldchipontwerper.
Mede gestimuleerd door het onderzoek van Imec lijkt België zich steeds meer op te werpen als een van de Europese beeldsensorbolwerken. Ook Caeleste heeft zijn roots in het Leuvense R&D-centrum: medeoprichter Bart Dierickx was daar als verse doctorandus personeelslid nummer 74. Met de uithuisplaatsing van de beeldsensoractiviteiten in 2000 verhuisde hij mee naar Fillfactory. Een paar jaar later kwam de spin-off in handen van Cypress, dat er echter een compleet andere marktvisie op na hield. ’Met een groep van veertig ingenieurs probeerden we daar te concurreren met bedrijven waar vierhonderd mensen aan gelijkaardige producten werkten‘, herinnert Dierickx zich.
In 2006 besloot Dierickx met twee compagnons voor zichzelf te beginnen. Bij een van hen op zolder, bijna traditie in de hightech, ontwierpen ze de eerste producten. Tegenwoordig bewoont Caeleste een heus kantoor in Antwerpen-Berchem. Twaalf medewerkers maken daar specialistische CMos-beeldsensoren, met name voor toepassingen in de ruimtevaart. De officiële lezing van de bedrijfsnaam verwijst daarnaar: caeles is Latijn voor ’hemel‘, de ’te‘ staat voor ’technologie‘. De oorspronkelijke herkomst is echter het eveneens Latijnse harmonia caelestium ’hemelse harmonie‘, dat de oprichters gewoon leuk vonden klinken.
Zwarte schoenen
De huidige CMos-beeldsensoren zijn grotendeels gebaseerd op actieve pixeltechnologie. Binnen in de kleine pixels worden hierbij fotodetectoren gekoppeld aan een signaalversterker. Door de versterkers uit te lezen, ontstaat een digitaal beeld.
Het begon allemaal met de Mos-variant in 1968. Hier kleefden vele haken en ogen aan, waaronder hoge ruis, grote variabiliteit in het productieproces en yield-problemen. Mos-sensoren werden daardoor jarenlang gezien als inferieur aan charge-coupled devices (CCD‘s), een in 1970 uitgevonden alternatieve halfgeleiderpixeltechnologie die de meeste van deze bezwaren niet kende. Ook de CMos-opvolgers konden lange tijd niet tippen aan CCD‘s, vertelt Dierickx. ’Het signaal van een CCD was zo clean dat het rechtstreeks op de antenne kon.‘
In 1983 kreeg Dierickx als kersverse promovendus van zijn promotor Gilbert Declerck de mogelijkheid om te werken aan ruimtevaartcamera‘s. ’Toen ontdekten we dat CCD‘s niet meer werkten bij lage temperaturen. Bij 77 kelvin hield het op. Het lelijke eendje CMos deed het daar echter prima. CCD‘s bleken bovendien niet stralingshard: in de ruimte gingen ze na een half jaar stuk. Wederom bracht CMos soelaas. Zo hebben we gezien hoe CMos de markt van CCD langzaam is beginnen opeten langs verschillende kanten.‘
Een ander probleem met CCD‘s is dat pixels sequentieel worden uitgelezen, dus allemaal via één kanaal gaan. Bij hoge beeldfrequenties wordt dat een bottleneck. Dit heeft ertoe geleid dat hogesnelheidscamera‘s zijn uitgeweken naar CMos. ’Daarnaast zorgde de wet van Moore en de bijbehorende grote verbeteringen en miniaturisatie van het productieproces ervoor dat CMos ook bruikbaar werd voor heel kleine pixels‘, vult Dierickx aan. ’Vandaag de dag zijn bijna alle beeldsensoren CMos, behalve voor enkele zeer specifieke high-end toepassingen waar uniformiteit primordiaal is.‘
Voor een goede beeldsensor is het aantal megapixels helemaal niet zo belangrijk; het zijn juist de donkerstroom en de ruis die tellen. ’We zaten ooit eens om de tafel met Nokia omdat we onze producten graag daar wilden wegzetten‘, geeft Dierickx een treffend voorbeeld. ’Die mensen hadden de ’black shoe under the table‘-test, waarbij ze onder de tafel een plaatje schoten van zwarte schoenen. Als ze dan allerlei artefacten zagen, betekende dat dat de sensor voor hen niet goed genoeg was. In de mobiele hoek is een sensor gewoon een commodity.‘
Paradepaardje
Al deze ervaringen namen Dierickx en de zijnen mee naar Caeleste, dat zich juist richt op de high-end markt. Het bedrijf maakt bijvoorbeeld golffrontsensoren voor de European Extremely Large Telescope (E-ELT). Met een hoofdspiegel van 39 meter in doorsnee wordt dit veruit de grootste optische/Nir-telescoop ter wereld. Hiervoor heeft Caeleste een ongewone en uitdagende combinatie van specificaties opgelegd gekregen: 1760 bij 1760 pixels, elk met een grootte van 24 bij 24 µm en uitleesfrequenties van zevenhonderd tot duizend frames per seconde. De 35 duizend parallelle on-chip ADC‘s spuwen iedere seconde tot dertig miljard bits uit. Daarbij heeft de sensor een ultralage ruis van minder dan 2,4 elektronen en een kwantumefficiëntie van bijna honderd procent.
Een ander gebied waarin Caeleste pioniert, is het maken van röntgenbeelden in verschillende energieën, oftewel ’kleurenröntgen‘. Voor het maken van een medisch röntgenbeeld worden intensiteiten gebruikt tussen de tien en honderd kilo-elektronvolt. Koolstof, stikstof en zuurstof hebben hierbij een andere spectrale absorptie. Caeleste heeft een beeldsensor ontwikkeld die de verschillende invallende fotonen kan tellen en hun energieën kan bepalen. Hiermee is een plaatje te genereren dat toont waar vet- en watermassa‘s in het weefsel aanwezig zijn.
Caeleste ontwerpt en patenteert ook verschillende concepten voor time of flight-camera‘s (Tof). Hiermee zijn bewegingen te visualiseren. Sinds afgelopen jaar heeft het bedrijf met partner Brainvision een Tof-camera op de markt voor toepassingen in de automotive, robotica en eventueel gaming.
Paradepaardje is een sensor van veertien bij veertien centimeter, ongeveer het grootste vierkant dat uit een CMos-wafer met een diameter van twintig centimeter is te halen. Deze joekel is bedoeld voor gebruik in de astronomie en heeft maximaal tien defecte pixels.
Zo is de ruimte is een terugkerend thema bij Caeleste. Een zekere fascinatie voor dit onderwerp kan Dierickx ook niet ontkennen. ’Ik schep wel eens op dat een van de IC‘s die ik heb ontworpen nu op het oppervlak van Mars ligt. Er zijn niet zo veel mensen die dat kunnen zeggen.‘