Czujniki obrazu są wymagane w aparatach fotograficznych, od telefonów po teleskopy, przechwytując światło i przekształcając je w obrazy. Czujniki CMOS (Front-Side Illuminated) i BSI (Backside-Illuminated) działają na podobnych zasadach, ale różnią się strukturą, wpływając na przechwytywanie światła, szumy i jakość kolorów. W tym artykule szczegółowo wyjaśniono ich projekty, wydajność, zastosowania i przyszły rozwój.
Klasa C1. Przegląd czujników CMOS i BSI
Klasa C2. Architektura matrycy CMOS
Klasa C3. Wnętrze czujnika CMOS BSI
Klasa C4. Porównanie wydajności świetlnej i czułości
Klasa C5. Współczynnik zmniejszania i wypełniania pikseli
Klasa C6. Przesłuchy, szum i dyfuzja tylna
CC7. Od architektury BSI do architektury Stacked CMOS
Klasa C8. Zakres dynamiki i wydajność kolorów w matrycach CMOS w porównaniu z czujnikami BSI
Klasa C9. Zastosowania czujników CMOS i BSI
Klasa C10. Przyszły rozwój czujników CMOS i BSI
Klasa C11. Konkluzja
Klasa C12. Często zadawane pytania
Przegląd czujników CMOS i BSI
Każda kamera, od smartfona w kieszeni po teleskopy badające odległe galaktyki, zależy od tego, jak skutecznie jej czujnik obrazu rejestruje światło. Zarówno matryce CMOS, jak i BSI działają na podobnych zasadach półprzewodników, ale ich różnice strukturalne prowadzą do znacznych różnic w czułości na światło, wydajności szumów i jakości obrazu. W tradycyjnych czujnikach CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) metalowe przewody i tranzystory znajdują się nad fotodiodami, częściowo blokując wpadające światło i zmniejszając ogólną czułość. Taka konstrukcja sprawia, że matryce CMOS są opłacalne i łatwiejsze w produkcji, ale ograniczają wydajność przy słabym oświetleniu. Natomiast czujniki BSI (Back-Side Illuminated) odwracają konstrukcję, umieszczając fotodiodę na górze tak, aby światło docierało do niej bezpośrednio bez przeszkód. Poprawia to wydajność kwantową, redukuje szumy i zwiększa wydajność w kompaktowych lub wysokiej klasy systemach obrazowania, od lustrzanek cyfrowych po instrumenty naukowe.
Architektura czujnika CMOS
Matryca CMOS z podświetleniem czołowym (FSI) reprezentuje wcześniejszą i bardziej konwencjonalną konstrukcję przetwornika obrazu stosowaną w aparatach cyfrowych i smartfonach. W tej architekturze wpadające światło musi przejść przez wiele warstw materiałów, zanim dotrze do fotodiody, światłoczułego obszaru odpowiedzialnego za przekształcanie fotonów w sygnały elektryczne.
Proces roboczy
Każdy piksel na wyświetlaczu działa w skoordynowanym procesie obejmującym mikrosoczewki, filtry kolorów, metalowe interkonekty, tranzystory i warstwę fotodiody. Mikrosoczewki najpierw skupiają wpadające światło przez filtry koloru czerwonego, zielonego i niebieskiego, zapewniając, że do każdego subpiksela docierają tylko określone długości fal. Nad fotodiodą znajdują się metalowe interkonekty i tranzystory zarządzają elektrycznym sterowaniem pikselem i odczytem sygnału, chociaż ich położenie może częściowo blokować część wpadającego światła. Pod tymi warstwami znajduje się fotodioda, która wychwytuje pozostałe światło i przekształca je w ładunek elektryczny, tworząc podstawowy sygnał obrazu piksela.
Ograniczenia konstrukcji FSI
• Zmniejszona wrażliwość na światło: Część światła jest odbijana lub pochłaniana przez warstwy przewodów i tranzystorów, zanim dotrze do fotodiody.
• Niższy współczynnik wypełnienia: Wraz ze zmniejszaniem się rozmiarów pikseli stosunek obszaru wrażliwego na światło do całkowitego obszaru piksela zmniejsza się, co prowadzi do większego szumu.
• Słabsza wydajność przy słabym oświetleniu: Czujniki FSI mają problemy w słabym otoczeniu w porównaniu z nowoczesnymi alternatywami, takimi jak czujniki BSI.
Wnętrze czujnika CMOS BSI
Matryca CMOS z podświetleniem tylnym (BSI) zrewolucjonizowała obrazowanie cyfrowe, rozwiązując główną wadę tradycyjnych konstrukcji z podświetleniem czołowym (FSI), czyli blokowanie światła przez metalowe przewody i tranzystory. Poprzez odwrócenie struktury czujnika, BSI umożliwia wpadające światło bezpośrednio do fotodiody, co znacznie poprawia wydajność świetlną i jakość obrazu.
Funkcja technologii BSI
• Płytka krzemowa jest rozcieńczana do zaledwie kilku mikrometrów, aby odsłonić warstwę światłoczułą
• Warstwa fotodiody jest umieszczona na górze, bezpośrednio skierowana w stronę wpadającego światła
• Metalowe przewody i obwody tranzystorowe są przenoszone na tylną stronę, co zapobiega blokowaniu ścieżek światła
• Zaawansowane mikrosoczewki są precyzyjnie ustawione na każdym pikselu, aby zapewnić optymalne skupienie światła
Zalety czujników BSI
• Wyższa wydajność absorpcji światła: poprawa do 30–50% w porównaniu z czujnikami FSI, co skutkuje jaśniejszymi i czystszymi obrazami.
• Doskonała wydajność przy słabym oświetleniu: Zmniejszona utrata fotonów zwiększa czułość i minimalizuje szumy w ciemnym otoczeniu.
• Poprawiona dokładność kolorów: Dzięki niezakłóconym ścieżkom światła filtry barwne zapewniają dokładniejsze i żywsze odcienie.
• Kompaktowa konstrukcja pikseli: BSI obsługuje mniejsze rozmiary pikseli przy zachowaniu jakości obrazu, idealna dla czujników o wysokiej rozdzielczości.
• Rozszerzony zakres dynamiki: Lepsze przechwytywanie sygnału zarówno w jasnych, jak i ciemnych obszarach sceny.
Porównanie wydajności świetlnej i czułości
| Funkcja | Matryca CMOS FSI | Czujnik BSI |
|---|---|---|
| Ścieżka światła | Światło przechodzi przez okablowanie → częściowej utraty | Bezpośrednio na fotodiodę → minimalne straty |
| Efektywność kwantowa (QE) | 60–70% | 90–100% |
| Wydajność przy słabym oświetleniu | Umiarkowany | Doskonały |
| Refleksja i przesłuch | Wysoki | Niski |
| Klarowność obrazu | Średnia | Ostry i jasny w słabym świetle |
Współczynnik zmniejszania i wypełniania pikseli
W czujnikach CMOS FSI
Gdy rozmiar piksela spada poniżej 1,4 μm, metalowe interkonekty i tranzystory zajmują większą powierzchnię. Współczynnik wypełnienia zmniejsza się, co skutkuje mniejszą ilością światła przechwytywanego na piksel i zwiększonym szumem obrazu. Rezultatem są ciemniejsze obrazy, zmniejszony kontrast i słabsza wydajność w warunkach słabego oświetlenia.
W czujnikach CMOS BSI
Fotodioda jest umieszczona nad okablowaniem, dzięki czemu światło może padać na nią bezpośrednio. Ta konfiguracja osiąga prawie 100% współczynnik wypełnienia, co oznacza, że prawie cały obszar pikseli staje się wrażliwy na światło. Czujniki BSI utrzymują jednolitą jasność i wyższy stosunek sygnału do szumu (SNR) w całej klatce obrazu. Zapewniają również doskonałą wydajność przy słabym oświetleniu, nawet w kompaktowych modułach, takich jak smartfony lub kamery dronów.
Przesłuchy, szum i dyfuzja tylna
| Aspekt | Potencjalne problemy z czujnikami CMOS (FSI) | Potencjalne problemy w czujnikach BSI | Rozwiązania inżynieryjne | Wpływ na jakość obrazu |
|---|---|---|---|---|
| Przesłuchy optyczne | Światło jest rozpraszane lub blokowane przez metalowe przewody przed dotarciem do fotodiody, powodując nierównomierne oświetlenie. | Światło przenika do sąsiednich pikseli z powodu ekspozycji z tyłu. | Izolacja głębokiego rowu (DTI): Tworzy fizyczne bariery między pikselami, aby zapobiec zakłóceniom optycznym. | Ostrzejsze obrazy, lepsza separacja kolorów i zmniejszone rozmycie. |
| Rekombinacja ładunku | Nośniki ładunku są tracone w grubych warstwach krzemu lub metalu, co obniża czułość. | Rekombinacja tylnej strony: Przewoźnicy rekombinują w pobliżu odsłoniętej powierzchni przed zebraniem. | Warstwy pasywacyjne i obróbka powierzchni: Zmniejsz liczbę wad i popraw zbieranie ładunku. | Zwiększona czułość i zmniejszone straty sygnału. |
| Efekt kwitnienia | Prześwietlenie w jednym pikselu powoduje nasycenie sąsiednich pikseli z powodu dyfuzji od przodu. | Nadmierna ekspozycja powoduje rozproszenie ładunku pod rozcieńczoną warstwą krzemu. | Bariery antydopingowe i ładunkowe na powierzchni: Zatrzymują ładunek i zapobiegają przepełnieniu. | Zredukowane białe smugi i gładsze refleksy. |
| Hałas elektryczny i termiczny | Ciepło z tranzystorów on-pixel generuje szum na ścieżce sygnału. | Wyższy szum strzału dzięki cienkiemu krzemowi i gęstym obwodom. | Wzmacniacze o niskim poziomie szumów i wbudowane algorytmy redukcji szumów. | Czystsze obrazy, lepsza wydajność przy słabym oświetleniu. |
| Ograniczenie współczynnika wypełnienia | Warstwy metalu i tranzystory pokrywają duży obszar pikseli, zmniejszając wrażliwość na światło. | Prawie wyeliminowana - fotodioda w pełni wystawiona na działanie światła. | Struktura BSI i optymalizacja mikrosoczewek. | Maksymalne przechwytywanie światła i jednolita jasność. |
Od architektur BSI do architektur Stacked CMOS
Struktura ułożonej w stos matrycy CMOS
| Warstwa | Funkcjonować | Opis |
|---|---|---|
| Warstwa wierzchnia | Matryca pikseli (konstrukcja BSI) | Zawiera światłoczułe fotodiody, które przechwytują wpadające światło, wykorzystując strukturę BSI w celu maksymalizacji czułości. |
| Warstwa środkowa | Obwody analogowe/cyfrowe | Obsługuje zadania konwersji sygnału, wzmacniania i przetwarzania obrazu niezależnie od matrycy pikseli, zapewniając czystsze wyjścia. |
| Dolna warstwa | Integracja z pamięcią lub procesorem | Może zawierać wbudowane rdzenie przetwarzania DRAM lub AI do szybkiego buforowania danych i ulepszania obrazu w czasie rzeczywistym. |
Zalety ułożonych w stos czujników CMOS
• Ultraszybki odczyt: umożliwia szybkie wykonywanie zdjęć seryjnych i nagrywanie rzeczywistych filmów w rozdzielczości do 4K lub 8K przy minimalnych zniekształceniach spowodowanych efektem rolling shutter.
• Ulepszone przetwarzanie w układzie scalonym: Integruje obwody logiczne, które wykonują łączenie HDR, korekcję ruchu i redukcję szumów bezpośrednio na czujniku.
• Efektywność energetyczna: Krótsze ścieżki danych i niezależne domeny zasilania poprawiają przepustowość przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii.
• Mniejsza obudowa: Pionowe układanie w stosy umożliwia kompaktową konstrukcję modułu, idealną do smartfonów, kamer samochodowych i dronów.
• Obsługa sztucznej inteligencji i obrazowania obliczeniowego: Niektóre czujniki warstwowe zawierają dedykowane procesory neuronowe do inteligentnego autofokusa, rozpoznawania scenerii i ulepszania w czasie rzeczywistym.
Zakres dynamiki i wydajność kolorów w czujnikach CMOS w porównaniu z BSI
Czujniki BSI (podświetlane z tyłu)
Eliminując metalowe okablowanie nad fotodiodą, czujniki BSI umożliwiają fotonom bezpośrednie dotarcie do obszaru wrażliwego na światło. Taka struktura zwiększa pełną pojemność, poprawiając absorpcję światła i minimalizując przycinanie świateł. W rezultacie, matryce BSI oferują doskonałą wydajność HDR, lepszą głębię kolorów i drobniejszą gradację cieni, dzięki czemu najlepiej nadają się do fotografii HDR, obrazowania medycznego i nadzoru przy słabym oświetleniu.
Czujniki FSI (podświetlane z przodu)
W przeciwieństwie do tego, czujniki FSI wymagają, aby światło przeszło przez kilka warstw obwodów, zanim dotrze do fotodiody. Powoduje to częściowe odbicie i rozproszenie, co ogranicza zakres dynamiki i możliwości mapowania tonów. Są bardziej podatne na prześwietlenie w jasnych warunkach i często dają mniej dokładne kolory w głębokich cieniach.
Zastosowania czujników CMOS i BSI
Czujniki CMOS (FSI)
• Widzenie maszynowe
• Inspekcja przemysłowa
• Endoskopia medyczna
•Kamer
Czujniki BSI
• Smartfony
• Aparaty cyfrowe
• Samochodowe systemy ADAS
•Astronomia i obrazowanie naukowe
• Nagrywanie wideo 8K
Przyszły rozwój czujników CMOS i BSI
• Projekty 3D łączą warstwy pikseli, logiki i pamięci, zapewniając ultraszybki odczyt i obrazowanie oparte na sztucznej inteligencji.
• Czujniki BSI z globalną migawką eliminują zniekształcenia ruchu w robotyce, dronach i systemach motoryzacyjnych.
• Organiczne matryce CMOS i kropki kwantowe zapewniają wyższą czułość, szerszą odpowiedź spektralną i bogatsze kolory.
• Przetwarzanie AI na czujniku umożliwia redukcję szumów w czasie rzeczywistym, wykrywanie obiektów i adaptacyjną kontrolę ekspozycji.
• Hybrydowe platformy obrazowania łączą zalety CMOS i BSI, poprawiając zakres dynamiczny i zmniejszając zużycie energii.
Wnioski
Czujniki CMOS i BSI zmieniły kształt nowoczesnego obrazowania, przy czym BSI oferuje wyższą światłoczułość, mniej szumów i lepszą dokładność kolorów. Wzrost liczby warstwowych matryc CMOS i czujników zintegrowanych ze sztuczną inteligencją jeszcze bardziej zwiększa szybkość, klarowność obrazu i zakres dynamiczny. Razem technologie te przyczyniają się do rozwoju fotografii, nadzoru i obrazowania naukowego z większą precyzją i wydajnością.
Często zadawane pytania
Jakie materiały są używane w czujnikach CMOS i BSI?
Oba używają wafli krzemowych. Czujniki BSI zawierają również cienkie warstwy krzemu, mikrosoczewki i metalowe interkonekty dla lepszej absorpcji światła.
Który typ czujnika zużywa więcej energii?
Czujniki BSI zużywają więcej energii ze względu na ich złożoną konstrukcję i szybsze przetwarzanie danych, chociaż nowoczesne konstrukcje poprawiają wydajność.
Dlaczego czujniki BSI są droższe niż CMOS?
Czujniki BSI wymagają dodatkowych etapów produkcji, takich jak rozcieńczanie płytek półprzewodnikowych i precyzyjne wyrównywanie warstw, co sprawia, że ich produkcja jest droższa.
Jak te czujniki radzą sobie z ciepłem?
Wysokie temperatury zwiększają hałas w obu czujnikach. Konstrukcje BSI często obejmują lepszą kontrolę termiczną, aby utrzymać stabilną jakość obrazu.
Czy czujniki CMOS i BSI mogą wykrywać światło podczerwone?
Tak. Po wyposażeniu w powłoki wrażliwe na podczerwień lub usunięte filtry, oba mogą wykrywać podczerwień, przy czym BSI wykazuje lepszą czułość podczerwieni.
Do czego służą mikrosoczewki w przetwornikach obrazu?
Mikrosoczewki kierują światło bezpośrednio do fotodiody każdego piksela, poprawiając jasność i wydajność w mniejszych czujnikach BSI.