A kamerákban képérzékelőkre van szükség, a telefonoktól a teleszkópokig, amelyek rögzítik a fényt és képekké alakítják. A CMOS (elülső oldali megvilágítású) és a BSI (hátoldali megvilágítású) érzékelők hasonló elveken működnek, de szerkezetükben különböznek egymástól, befolyásolva a fényrögzítést, a zajt és a színminőséget. Ez a cikk részletesen ismerteti a tervüket, teljesítményüket, felhasználásukat és jövőbeli fejlesztéseiket.
CC7. A BSI-től a halmozott CMOS-architektúrákig
CMOS vs BSI érzékelő áttekintése
Minden kamera, a zsebében lévő okostelefontól a távoli galaxisokat felfedező teleszkópokig, attól függ, hogy a képérzékelője mennyire hatékonyan rögzíti a fényt. Mind a CMOS, mind a BSI érzékelők hasonló félvezető elveket követnek, de szerkezeti különbségeik jelentős eltéréseket eredményeznek a fényérzékenységben, a zajteljesítményben és a képminőségben. A hagyományos CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) érzékelőkben a fémvezetékek és tranzisztorok a fotodiódák felett helyezkednek el, részben blokkolva a bejövő fényt és csökkentve az általános érzékenységet. Ez a kialakítás költséghatékonysá és könnyebben gyárthatóvá teszi a CMOS-érzékelőket, de korlátozza a gyenge fényviszonyok melletti teljesítményt. Ezzel szemben a BSI (Back-Side Illuminated) érzékelők megfordítják a szerkezetet, és a fotodiódát a tetejére helyezik, hogy a fény akadálytalanul elérje azt. Ez javítja a kvantumhatékonyságot, csökkenti a zajt és javítja a teljesítményt a kompakt vagy csúcskategóriás képalkotó rendszerekben, a DSLR fényképezőgépektől a tudományos műszerekig.
CMOS érzékelő architektúra
Az elülső oldali megvilágítású (FSI) CMOS-érzékelő a digitális fényképezőgépekben és okostelefonokban használt korábbi és hagyományosabb képérzékelő-struktúrát képviseli. Ebben az architektúrában a bejövő fénynek több anyagrétegen kell áthaladnia, mielőtt elérné a fotodiódát, a fotonok elektromos jelekké alakításáért felelős fényérzékeny régiót.
Munkafolyamat
A kijelző minden pixele koordinált folyamaton keresztül működik, amely mikrolencséket, színszűrőket, fém összekötőket, tranzisztorokat és fotodiódaréteget tartalmaz. A mikrolencsék először a bejövő fényt fókuszálják a piros, zöld és kék színszűrőkön keresztül, biztosítva, hogy csak meghatározott hullámhosszak érjék el az egyes alpixeleket. A fotodióda felett fém összeköttetések és tranzisztorok kezelik a pixel elektromos vezérlését és jelkiolvasását, bár helyzetük részben blokkolhatja a bejövő fény egy részét. Ezen rétegek alatt található a fotodióda, amely a maradék fényt felfogja és elektromos töltéssé alakítja, így a pixel alapvető képjelét képezi.
Az FSI tervezés korlátai
• Csökkentett fényérzékenység: A fény egy része visszaverődik vagy elnyelődik a vezetékek és a tranzisztoros rétegeken, mielőtt elérné a fotodiódát.
• Alacsonyabb kitöltési tényező: A pixelméretek csökkenésével a fényérzékeny terület és a teljes pixelterület aránya csökken, ami nagyobb zajt eredményez.
• Gyengébb teljesítmény gyenge fényviszonyok mellett: Az FSI érzékelők gyenge környezetben küzdenek a modern alternatívákhoz, például a BSI-érzékelőkhöz képest.
A BSI CMOS érzékelő belsejében
A hátoldali megvilágítású (BSI) CMOS-érzékelő forradalmasította a digitális képalkotást azáltal, hogy kezelte a hagyományos elülső oldali megvilágítású (FSI) kialakítások fő hátrányait, a fémvezetékek és tranzisztorok okozta fényelzáródást. Az érzékelő szerkezetének megfordításával a BSI lehetővé teszi, hogy a bejövő fény közvetlenül elérje a fotodiódát, drámaian javítva a fényhatékonyságot és a képminőséget.
BSI technológiai funkció
• A szilícium ostya néhány mikrométerre hígul, hogy felfedje a fényérzékeny réteget
• A fotodióda réteg a felső oldalon helyezkedik el, közvetlenül a bejövő fény felé
• A fémvezetékek és a tranzisztoros áramkörök a hátsó oldalra vannak áthelyezve, megakadályozva, hogy elzárják a fényutakat
• A fejlett mikrolencsék pontosan illeszkednek az egyes pixelekhez, hogy biztosítsák az optimális fényfókuszálást
A BSI érzékelők előnyei
• Nagyobb fényelnyelési hatékonyság: Akár 30–50%-os javulás az FSI érzékelőkhöz képest, ami világosabb és tisztább képeket eredményez.
• Kiváló teljesítmény gyenge fényviszonyok mellett: A csökkentett fotonveszteség növeli az érzékenységet és minimalizálja a zajt sötét környezetben.
• Javított színpontosság: Az akadálytalan fényutaknak köszönhetően a színszűrők pontosabb és élénkebb tónusokat hoznak létre.
• Kompakt pixel kialakítás: A BSI támogatja a kisebb pixelméreteket, miközben megőrzi a képminőséget, ideális a nagy felbontású érzékelőkhöz.
• Továbbfejlesztett dinamikatartomány: Jobb jelrögzítés a jelenet világos és halvány területein egyaránt.
A fényhatékonyság és az érzékenység összehasonlítása
| Funkció | FSI CMOS érzékelő | BSI érzékelő |
|---|---|---|
| Fényút | A fény részleges veszteséggel → vezetékeken halad át | Közvetlenül a fotodiódához → minimális veszteség |
| Kvantumhatékonyság (QE) | 60–70% | 90–100% |
| Teljesítmény gyenge fényviszonyok mellett | Mérsékelt | Nagyszerű |
| Elmélkedés és áthallás | Magas | Alacsony |
| Kép tisztasága | Átlagos | Éles és fényes gyenge fényben |
Pixelzsugorodás és kitöltési tényező
FSI CMOS érzékelőkben
Ahogy a pixelméret 1,4 μm alá csökken, a fém összeköttetések és tranzisztorok nagyobb felületet foglalnak el. A kitöltési tényező csökken, ami pixelenként kevesebb fényt és nagyobb képzajt eredményez. Az eredmény sötétebb képek, kisebb kontraszt és gyengébb teljesítmény gyenge fényviszonyok között.
BSI CMOS érzékelőkben
A fotodióda a vezetékek felett helyezkedik el, lehetővé téve a fény közvetlen elérését. Ez a konfiguráció közel 100%-os kitöltési tényezőt ér el, ami azt jelenti, hogy szinte a teljes pixelterület fényérzékenysé válik. A BSI-érzékelők egyenletes fényerőt és magasabb jel-zaj arányt (SNR) tartanak fenn a képkeretben. Gyenge fényviszonyok mellett is kiváló teljesítményt nyújtanak, még olyan kompakt modulokban is, mint az okostelefonok vagy a drónkamerák.
Áthallás, zaj és hátoldali diffúzió
| Aspektus | Lehetséges problémák a CMOS (FSI) érzékelőkben | Lehetséges problémák a BSI érzékelőkben | Mérnöki megoldások | Hatás a képminőségre |
|---|---|---|---|---|
| Optikai áthallás | A fényt fémvezetékek szórják szét vagy blokkolják, mielőtt elérnék a fotodiódát, egyenetlen megvilágítást okozva. | A fény a szomszédos pixelekbe szivárog a hátoldali expozíció miatt. | Mély árokszigetelés (DTI): Fizikai akadályokat hoz létre a képpontok között az optikai interferencia megelőzése érdekében. | Élesebb képek, jobb színelválasztás és csökkentett elmosódás. |
| Töltés rekombináció | A töltéshordozók elvesznek a vastag szilícium- vagy fémrétegekben, csökkentve az érzékenységet. | Hátoldali rekombináció: A hordozók a szabad felület közelében rekombinálódnak a gyűjtés előtt. | Passziváló rétegek és felületkezelés: Csökkentse a hibákat és javítsa a töltésgyűjtést. | Fokozott érzékenység és csökkentett jelveszteség. |
| Virágzó hatás | Az egy pixel túlexponálása a szomszédos képpontok telítettségét okozza az elülső oldali diffúzió miatt. | A túlexponálás eloszlatja a töltést a hígított szilíciumréteg alatt. | Felületi dopping- és töltésgátak: Visszatartják a töltést és megakadályozzák a túlcsordulást. | Csökkentett fehér csíkok és simább csúcsfények. |
| Elektromos és termikus zaj | A pixeltranzisztorok hője zajt generál a jelúton. | Nagyobb lövési zaj a vékony szilícium és a sűrű áramkörök miatt. | Alacsony zajszintű erősítők és chipre épített zajcsökkentő algoritmusok. | Tisztább képek, jobb teljesítmény gyenge fényviszonyok mellett. |
| Töltési tényező korlátozása | A fémrétegek és tranzisztorok nagy pixelterületet fednek le, csökkentve a fényérzékenységet. | Majdnem kiküszöbölt - a fotodióda teljesen fénynek van kitéve. | BSI szerkezet és mikrolencse optimalizálás. | Maximális fényrögzítés és egyenletes fényerő. |
A BSI-től a halmozott CMOS architektúrákig
A halmozott CMOS-érzékelő felépítése
| Réteg | Funkció | Leírás |
|---|---|---|
| Felső réteg | Pixel Array (BSI kialakítás) | Fényérzékeny fotodiódákat tartalmaz, amelyek felfogják a bejövő fényt, BSI szerkezetet használva az érzékenység maximalizálása érdekében. |
| Középső réteg | Analóg / digitális áramkörök | A jelkonverziós, erősítési és képfeldolgozási feladatokat a pixeltömbtől elkülönítve kezeli a tisztább kimenetek érdekében. |
| Alsó réteg | Memória vagy processzor integráció | Tartalmazhat beágyazott DRAM- vagy AI-feldolgozó magokat a gyors adatpufferelés és a valós idejű képjavítás érdekében. |
A halmozott CMOS-érzékelők előnyei
• Ultragyors kiolvasás: Lehetővé teszi a nagy sebességű sorozatfelvételt és a tényleges videofelvételt akár 4K vagy 8K felbontásig, minimális gördülő zártorzítással.
• Továbbfejlesztett chipen belüli feldolgozás: Integrálja a logikai áramköröket, amelyek HDR-egyesítést, mozgáskorrekciót és zajcsökkentést hajtanak végre közvetlenül az érzékelőn.
• Energiahatékonyság: A rövidebb adatútvonalak és a független energiatartományok javítják az átviteli sebességet, miközben csökkentik az energiafogyasztást.
• Kisebb méret: A függőleges egymásra rakás lehetővé teszi a kompakt modulkialakítást, amely ideális okostelefonokhoz, autóipari kamerákhoz és drónokhoz.
• AI és számítógépes képalkotás támogatása: Egyes egymásra helyezett érzékelők dedikált neurális processzorokat tartalmaznak az intelligens autofókuszhoz, a jelenetfelismeréshez és a valós idejű javításhoz.
Dinamikatartomány és színteljesítmény a CMOS vs BSI érzékelőkben
BSI (hátoldali megvilágítású) érzékelők
A fotodióda feletti fémvezetékek kiküszöbölésével a BSI-érzékelők lehetővé teszik, hogy a fotonok közvetlenül elérjék a fényérzékeny területet. Ez a szerkezet növeli a teljes kút kapacitását, javítja a fényelnyelést és minimalizálja a csúcsfények levágását. Ennek eredményeként a BSI érzékelők kiváló HDR teljesítményt, jobb színmélységet és finomabb árnyékátmeneteket kínálnak, így a legjobbak HDR-fotózáshoz, orvosi képalkotáshoz és gyenge fényviszonyok melletti megfigyeléshez.
FSI (elöl megvilágított) érzékelők
Ezzel szemben az FSI érzékelőknek több réteg áramkörön kell áthaladniuk, mielőtt elérnék a fotodiódát. Ez részleges visszaverődést és szórást okoz, ami korlátozza a dinamikatartományt és a tónusleképezési képességet. Világos körülmények között hajlamosabbak a túlexponáltságra, és gyakran kevésbé pontos színeket adnak a mély árnyékokban.
A CMOS VS BSI-érzékelők alkalmazásai
CMOS (FSI) érzékelők
• Gépi látás
• Ipari ellenőrzés
• Orvosi endoszkópia
• Térfigyelő kamerák
BSI érzékelők
• Okostelefonok
• Digitális fényképezőgépek
• Autóipari ADAS
•Csillagászat és tudományos képalkotás
• 8K videofelvétel
A CMOS vs BSI érzékelők jövőbeli fejlesztései
• A 3D-s halmozott tervek egyesítik a pixel-, logika- és memóriarétegeket az ultragyors kiolvasás és a mesterséges intelligencia által vezérelt képalkotás érdekében.
• A globális redőny BSI érzékelők kiküszöbölik a mozgástorzítást a robotika, a drónok és az autóipari rendszerek számára.
• Az organikus CMOS és kvantumpont érzékelők nagyobb érzékenységet, szélesebb spektrális választ és gazdagabb színeket biztosítanak.
• Az érzékelőn belüli mesterséges intelligencia feldolgozás lehetővé teszi a valós idejű zajcsökkentést, a tárgyérzékelést és az adaptív expozícióvezérlést.
• A hibrid képalkotó platformok egyesítik a CMOS és a BSI előnyeit, javítva a dinamikatartományt és csökkentve az energiafelhasználást.
Következtetés
A CMOS és BSI érzékelők átalakították a modern képalkotást, a BSI nagyobb fényérzékenységet, kevesebb zajt és jobb színpontosságot kínál. A halmozott CMOS és az AI-ba integrált érzékelők térnyerése tovább növeli a sebességet, a kép tisztaságát és a dinamikatartományt. Ezek a technológiák együttesen továbbra is nagyobb pontossággal és hatékonysággal fejlesztik a fényképezést, a megfigyelést és a tudományos képalkotást.
Gyakran ismételt kérdések
Milyen anyagokat használnak a CMOS és BSI érzékelőkben?
Mindkettő szilícium ostyát használ. A BSI érzékelők hígított szilíciumrétegeket, mikrolencséket és fém összeköttetéseket is tartalmaznak a jobb fényelnyelés érdekében.
Melyik érzékelőtípus fogyaszt több energiát?
A BSI-érzékelők összetett kialakításuk és gyorsabb adatfeldolgozásuk miatt több energiát fogyasztanak, bár a modern kialakítások javítják a hatékonyságot.
Miért drágábbak a BSI-érzékelők, mint a CMOS?
A BSI-érzékelők további gyártási lépéseket igényelnek, például az ostya elvékonyítását és a pontos rétegigazítást, ami drágábbá teszi a gyártásukat.
Hogyan kezelik ezek az érzékelők a hőt?
A magas hőmérséklet növeli a zajt mindkét érzékelőben. A BSI kialakítások gyakran jobb hőszabályozást tartalmaznak a képminőség stabilizálása érdekében.
A CMOS és BSI érzékelők képesek érzékelni az infravörös fényt?
Igen. IR-érzékeny bevonatokkal vagy eltávolított szűrőkkel felszerelve mindkettő képes érzékelni az infravörös sugárzást, a BSI pedig jobb IR-érzékenységet mutat.
Mi a célja a mikrolencséknek a képérzékelőkön?
A mikrolencsék közvetlenül az egyes pixelek fotodiódájába vezetik a fényt, javítva a fényerőt és a hatékonyságot a kisebb BSI-érzékelőkben.