Billedsensorer er påkrævet i kameraer, fra telefoner til teleskoper, der fanger lys og omdanner det til billeder. CMOS-sensorer (Front-Side Illuminated) og BSI (Backside-Illuminated) fungerer efter lignende principper, men adskiller sig i struktur, hvilket påvirker lysoptagelse, støj og farvekvalitet. Denne artikel forklarer deres design, ydeevne, anvendelser og fremtidige udviklinger i detaljer.
CC7. Fra BSI til stablede CMOS-arkitekturer
CMOS vs BSI-sensor Oversigt
Hvert kamera, fra smartphonen i lommen til teleskoperne, der udforsker fjerne galakser, afhænger af, hvor effektivt dets billedsensor fanger lys. Både CMOS- og BSI-sensorer følger lignende halvlederprincipper, men deres strukturelle forskelle fører til store variationer i lysfølsomhed, støjydelse og billedkvalitet. I traditionelle CMOS-sensorer (Front-Side Illuminated, FSI) sidder metalledninger og transistorer over fotodioderne, hvilket delvist blokerer for indkommende lys og reducerer den samlede følsomhed. Dette design gør CMOS-sensorer omkostningseffektive og nemmere at fremstille, men begrænser ydeevnen i svagt lys. I modsætning hertil vender BSI-sensorer (Back-Side Illuminated) strukturen og placerer fotodioden ovenpå, så lyset når den direkte uden forhindringer. Dette forbedrer kvanteeffektiviteten, reducerer støj og forbedrer ydeevnen i kompakte eller avancerede billedsystemer, fra DSLR-kameraer til videnskabelige instrumenter.
CMOS-sensorarkitektur
En Front-Side Illuminated (FSI) CMOS-sensor repræsenterer den tidligere og mere konventionelle billedsensorstruktur, der bruges i digitale kameraer og smartphones. I denne arkitektur skal indkommende lys passere gennem flere lag af materialer, før det når fotodioden, det lysfølsomme område, der er ansvarlig for at omdanne fotoner til elektriske signaler.
Arbejdsproces
Hver pixel i skærmen fungerer gennem en koordineret proces, der involverer mikrolinser, farvefiltre, metalforbindelser, transistorer og et fotodiodelag. Mikrolinserne fokuserer først indkommende lys gennem de røde, grønne og blå farvefiltre, hvilket sikrer, at kun specifikke bølgelængder når hver subpixel. Over fotodioden er metalforbindelser og transistorer styrer pixlens elektriske kontrol og signaludlæsning, selvom deres position delvist kan blokere noget af det indkommende lys. Under disse lag ligger fotodioden, som fanger det resterende lys og omdanner det til en elektrisk ladning, der danner pixelens grundlæggende billedsignal.
Begrænsninger ved FSI-design
• Reduceret lysfølsomhed: En del af lyset reflekteres eller absorberes af ledningerne og transistorlagene, før det kan nå fotodioden.
• Lavere fyldfaktor: Efterhånden som pixelstørrelserne formindskes, mindskes forholdet mellem det lysfølsomme område og det samlede pixelareal, hvilket fører til mere støj.
• Svagere ydeevne i svagt lys: FSI-sensorer kæmper i svage miljøer sammenlignet med moderne alternativer som BSI-sensorer.
Inde i BSI CMOS-sensoren
Den bagsidebelyste (BSI) CMOS-sensor revolutionerede digital billedbehandling ved at adressere den største ulempe ved traditionelle FSI-design (Front-Side Illumined), lysblokering fra metalledninger og transistorer. Ved at vende sensorens struktur tillader BSI indkommende lys at nå fotodioden direkte, hvilket dramatisk forbedrer lyseffektiviteten og billedkvaliteten.
BSI-teknologi funktion
• Siliciumskiven er fortyndet ned til blot et par mikrometer for at blotlægge det lysfølsomme lag
• Fotodiodelaget er placeret på oversiden, direkte vendt mod indkommende lys
• Metalledningerne og transistorkredsløbene flyttes til bagsiden, hvilket forhindrer dem i at blokere lysbaner
• Avancerede mikrolinser er justeret præcist over hver pixel for at sikre optimal lysfokusering
Fordele ved BSI-sensorer
• Højere lysabsorptionseffektivitet: Op til 30-50% forbedring sammenlignet med FSI-sensorer, hvilket resulterer i lysere og renere billeder.
• Overlegen ydeevne i svagt lys: Reduceret fotontab forbedrer følsomheden og minimerer støj i mørke omgivelser.
• Forbedret farvenøjagtighed: Med uhindrede lysbaner producerer farvefiltre mere nøjagtige og levende toner.
• Kompakt pixeldesign: BSI understøtter mindre pixelstørrelser, samtidig med at billedkvaliteten bevares, hvilket er ideelt til sensorer med høj opløsning.
• Forbedret dynamisk område: Bedre signaloptagelse i både lyse og svage områder af en scene.
Sammenligning af lyseffektivitet og følsomhed
| Funktion | FSI CMOS Sensor | BSI-sensor |
|---|---|---|
| Lys Sti | Lys passerer gennem ledninger → delvist tab | Direkte til fotodiode → minimalt tab |
| Kvanteeffektivitet (QE) | 60-70 % | 90-100 % |
| Ydeevne i svagt lys | Moderat | Fremragende |
| Refleksion og krydstale | Høj | Lav |
| Billedets klarhed | Gennemsnit | Skarp og klar i svagt lys |
Pixel krympning og fyldfaktor
I FSI CMOS-sensorer
Når pixelstørrelsen falder til under 1,4 μm, forbinder metallet sig, og transistorerne optager et større overfladeareal. Fyldningsfaktoren falder, hvilket resulterer i, at der fanges mindre lys pr. pixel og øget billedstøj. Resultatet er mørkere billeder, reduceret kontrast og svagere ydeevne under dårlige lysforhold.
I BSI CMOS-sensorer
Fotodioden er placeret over ledningerne, så lyset kan ramme den direkte. Denne konfiguration opnår en udfyldningsfaktor på næsten 100 %, hvilket betyder, at næsten hele pixelområdet bliver lysfølsomt. BSI-sensorer opretholder ensartet lysstyrke og et højere signal-til-støj-forhold (SNR) på tværs af billedrammen. De leverer også overlegen ydeevne i svagt lys, selv i kompakte moduler som smartphone- eller dronekameraer.
Krydstale, støj og bagsidediffusion
| Aspekt | Potentielle problemer i CMOS (FSI) sensorer | Potentielle problemer i BSI-sensorer | Tekniske løsninger | Indvirkning på billedkvaliteten |
|---|---|---|---|---|
| Optisk krydstale | Lys spredes eller blokeres af metalledninger, før det når fotodioden, hvilket forårsager ujævn belysning. | Lys lækker ind i tilstødende pixels på grund af bagsideeksponering. | Deep Trench Isolation (DTI): Skaber fysiske barrierer mellem pixels for at forhindre optisk interferens. | Skarpere billeder, bedre farveadskillelse og reduceret sløring. |
| Rekombination af opladning | Ladningsbærere går tabt i tykke silicium- eller metallag, hvilket sænker følsomheden. | Rekombination på bagsiden: Bærere rekombineres nær den udsatte overflade før opsamling. | Passiveringslag og overfladebehandling: Reducer defekter og forbedre opladningsopsamlingen. | Forbedret følsomhed og reduceret signaltab. |
| Blomstrende effekt | Overeksponering i en pixel får tilstødende pixels til at mætte på grund af diffusion på forsiden. | Overeksponering spreder ladning under det fortyndede siliciumlag. | Overfladedoping- og opladningsbarrierer: Inddæmmer ladning og forhindrer overløb. | Reducerede hvide striber og glattere højlys. |
| Elektrisk og termisk støj | Varme fra on-pixel-transistorer genererer støj i signalvejen. | Højere skudstøj på grund af tyndt silicium og tætte kredsløb. | Støjsvage forstærkere og on-chip støjreduktionsalgoritmer. | Renere billeder, forbedret ydeevne i svagt lys. |
| Begrænsning af fyldningsfaktor | Metallag og transistorer dækker et stort pixelområde, hvilket reducerer lysfølsomheden. | Næsten elimineret - fotodiode fuldt udsat for lys. | BSI-struktur og optimering af mikrolinser. | Maksimal lysindfangning og ensartet lysstyrke. |
Fra BSI til stablede CMOS-arkitekturer
Struktur af en stablet CMOS-sensor
| Lag | Funktion | Beskrivelse |
|---|---|---|
| Øverste lag | Pixel Array (BSI-design) | Indeholder de lysfølsomme fotodioder, der fanger indkommende lys, ved hjælp af en BSI-struktur for at maksimere følsomheden. |
| Mellemlag | Analoge/digitale kredsløb | Håndterer signalkonvertering, forstærkning og billedbehandlingsopgaver adskilt fra pixelarrayet for renere output. |
| Bundlag | Hukommelses- eller processorintegration | Kan omfatte indlejrede DRAM- eller AI-behandlingskerner til hurtig databuffering og billedforbedring i realtid. |
Fordele ved stablede CMOS-sensorer
• Ultrahurtig udlæsning: Muliggør kontinuerlig optagelse i høj hastighed og faktisk videooptagelse op til 4K- eller 8K-opløsninger med minimal forvrængning af rullende lukker.
• Forbedret on-chip-behandling: Integrerer logiske kredsløb, der udfører HDR-fletning, bevægelseskorrektion og støjreduktion direkte på sensoren.
• Energieffektivitet: Kortere datastier og uafhængige strømdomæner forbedrer gennemstrømningen, samtidig med at strømforbruget reduceres.
• Mindre formfaktor: Lodret stabling giver mulighed for kompakt moduldesign, der er ideelt til smartphones, bilkameraer og droner.
• Understøttelse af AI og computerbillede: Nogle stablede sensorer inkluderer dedikerede neurale processorer til intelligent autofokus, scenegenkendelse og forbedring i realtid.
Dynamisk rækkevidde og farveydelse i CMOS vs BSI-sensorer
BSI (bagsidebelyste) sensorer
Ved at eliminere metalledninger over fotodioden tillader BSI-sensorer fotoner at nå det lysfølsomme område direkte. Denne struktur øger fuldbrøndskapaciteten, forbedrer lysabsorptionen og minimerer højlysklipning. Som et resultat tilbyder BSI-sensorer overlegen HDR-ydeevne, bedre farvedybde og finere skyggegraduering, hvilket gør dem bedst til HDR-fotografering, medicinsk billedbehandling og overvågning i svagt lys.
FSI (forsidebelyst) sensorer
I modsætning hertil kræver FSI-sensorer, at lys passerer gennem flere lag kredsløb, før de når fotodioden. Dette forårsager delvis refleksion og spredning, hvilket begrænser dynamisk område og tonekortlægningsevne. De er mere tilbøjelige til at overeksponere under lyse forhold og producerer ofte mindre nøjagtige farver i dybe skygger.
Anvendelser af CMOS vs BSI-sensorer
CMOS (FSI) sensorer
• Maskinsyn
• Industriel inspektion
• Medicinsk endoskopi
• Overvågningskameraer
BSI-sensorer
• Smartphones
• Digitale kameraer
• ADAS til biler
•Astronomi og videnskabelig billeddannelse
• 8K videooptagelse
Fremtidig udvikling inden for CMOS vs BSI-sensorer
• 3D-stablede design kombinerer pixel-, logik- og hukommelseslag for ultrahurtig udlæsning og AI-drevet billedbehandling.
• Globale lukker-BSI-sensorer eliminerer bevægelsesforvrængning for robotteknologi, droner og bilsystemer.
• Organiske CMOS- og kvantepunktsensorer leverer højere følsomhed, bredere spektral respons og rigere farver.
• AI-behandling på sensoren muliggør støjreduktion i realtid, objektdetektion og adaptiv eksponeringskontrol.
• Hybride billedbehandlingsplatforme kombinerer CMOS- og BSI-fordele, hvilket forbedrer det dynamiske område og reducerer strømforbruget.
Konklusion
CMOS- og BSI-sensorer har omformet moderne billedbehandling, hvor BSI tilbyder højere lysfølsomhed, mindre støj og bedre farvenøjagtighed. Fremkomsten af stablede CMOS- og AI-integrerede sensorer forbedrer hastigheden, billedklarheden og det dynamiske område yderligere. Sammen fortsætter disse teknologier med at fremme fotografering, overvågning og videnskabelig billedbehandling med større præcision og effektivitet.
Ofte stillede spørgsmål
Hvilke materialer bruges i CMOS- og BSI-sensorer?
Begge bruger siliciumskiver. BSI-sensorer omfatter også fortyndede siliciumlag, mikrolinser og metalforbindelser for bedre lysabsorption.
Hvilken sensortype bruger mere strøm?
BSI-sensorer bruger mere strøm på grund af deres komplekse design og hurtigere databehandling, selvom moderne design forbedrer effektiviteten.
Hvorfor er BSI-sensorer dyrere end CMOS?
BSI-sensorer kræver yderligere fremstillingstrin, såsom waferudtynding og præcis lagjustering, hvilket gør dem dyrere at producere.
Hvordan håndterer disse sensorer varme?
Høje temperaturer øger støjen i begge sensorer. BSI-design inkluderer ofte bedre termisk kontrol for at holde billedkvaliteten stabil.
Kan CMOS- og BSI-sensorer registrere infrarødt lys?
Ja. Når de er udstyret med IR-følsomme belægninger eller filtre fjernet, kan begge detektere infrarød, hvor BSI viser bedre IR-følsomhed.
Hvad er formålet med mikrolinser på billedsensorer?
Mikrolinser leder lyset direkte ind i hver pixels fotodiode, hvilket forbedrer lysstyrken og effektiviteten i mindre BSI-sensorer.