Obrazové snímače sú potrebné vo fotoaparátoch, od telefónov po ďalekohľady, ktoré zachytávajú svetlo a premieňajú ho na obrázky. Snímače CMOS (Front-Side Illuminated) a BSI (Backside-Illuminated) fungujú na podobných princípoch, ale líšia sa štruktúrou, čo ovplyvňuje zachytávanie svetla, šum a kvalitu farieb. Tento článok podrobne vysvetľuje ich návrhy, výkon, použitie a budúci vývoj.
CC7. Od BSI po vrstvené architektúry CMOS
Č. 9. Aplikácie snímačov CMOS vs BSI
Prehľad snímača CMOS vs BSI
Každý fotoaparát, od smartfónu vo vrecku až po ďalekohľady skúmajúce vzdialené galaxie, závisí od toho, ako efektívne jeho obrazový snímač zachytáva svetlo. Snímače CMOS aj BSI sa riadia podobnými polovodičovými princípmi, ale ich štrukturálne rozdiely vedú k veľkým rozdielom v citlivosti na svetlo, šumovom výkone a kvalite obrazu. V tradičných snímačoch CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) sú kovové káble a tranzistory umiestnené nad fotodiódami, čiastočne blokujú prichádzajúce svetlo a znižujú celkovú citlivosť. Vďaka tejto konštrukcii sú snímače CMOS nákladovo efektívne a ľahšie sa vyrábajú, ale obmedzujú výkon pri slabom osvetlení. Naproti tomu snímače BSI (Back-Side Illuminated) prevracajú štruktúru a umiestňujú fotodiódu na vrch tak, aby sa k nej svetlo dostalo priamo bez prekážok. To zlepšuje kvantovú účinnosť, znižuje šum a zvyšuje výkon v kompaktných alebo špičkových zobrazovacích systémoch, od digitálnych zrkadloviek až po vedecké prístroje.
Architektúra snímača CMOS
Snímač CMOS s predným osvetlením (FSI) predstavuje staršiu a konvenčnejšiu štruktúru obrazového snímača používanú v digitálnych fotoaparátoch a smartfónoch. V tejto architektúre musí prichádzajúce svetlo prejsť viacerými vrstvami materiálov, kým sa dostane do fotodiódy, oblasti citlivej na svetlo zodpovednej za premenu fotónov na elektrické signály.
Pracovný proces
Každý pixel na displeji funguje prostredníctvom koordinovaného procesu zahŕňajúceho mikrošošovky, farebné filtre, kovové prepojenia, tranzistory a vrstvu fotodiód. Mikrošošovky najprv zaostria prichádzajúce svetlo cez červené, zelené a modré farebné filtre, čím zabezpečia, že do každého subpixelu sa dostanú iba špecifické vlnové dĺžky. Nad fotodiódou kovové prepojenia a tranzistory riadia elektrické ovládanie pixelu a čítanie signálu, hoci ich poloha môže čiastočne blokovať časť prichádzajúceho svetla. Pod týmito vrstvami sa nachádza fotodióda, ktorá zachytáva zvyšné svetlo a premieňa ho na elektrický náboj, čím vytvára základný obrazový signál pixelu.
Obmedzenia dizajnu FSI
• Znížená citlivosť na svetlo: Časť svetla sa odráža alebo absorbuje vrstvami káblov a tranzistorov skôr, ako sa dostane k fotodióde.
• Nižší faktor výplne: So zmenšovaním veľkosti pixelov sa pomer oblasti citlivej na svetlo k celkovej ploche pixelov znižuje, čo vedie k väčšiemu šumu.
• Slabší výkon pri slabom osvetlení: Senzory FSI bojujú v tmavom prostredí v porovnaní s modernými alternatívami, ako sú snímače BSI.
Vo vnútri snímača BSI CMOS
Snímač CMOS so zadným osvetlením (BSI) spôsobil revolúciu v digitálnom zobrazovaní tým, že riešil hlavnú nevýhodu tradičných dizajnov s predným osvetlením (FSI), blokovanie svetla kovovými vodičmi a tranzistormi. Obrátením štruktúry snímača BSI umožňuje, aby sa prichádzajúce svetlo dostalo priamo k fotodióde, čím sa dramaticky zlepšuje svetelná účinnosť a kvalita obrazu.
Funkcia technológie BSI
• Kremíková doštička sa zriedi len na niekoľko mikrometrov, aby sa odhalila fotocitlivá vrstva
• Vrstva fotodiódy je umiestnená na hornej strane, priamo smerom k prichádzajúcemu svetlu
• Kovové vedenie a tranzistorové obvody sú premiestnené na zadnú stranu, čím sa bráni tomu, aby prekážali svetelným cestám
• Pokročilé mikrošošovky sú presne zarovnané nad každým pixelom, aby sa zabezpečilo optimálne zaostrenie svetlom
Výhody snímačov BSI
• Vyššia účinnosť absorpcie svetla: Až o 30 – 50 % zlepšenie v porovnaní so snímačmi FSI, výsledkom čoho je jasnejší a čistejší obraz.
• Vynikajúci výkon pri slabom osvetlení: Znížená strata fotónov zvyšuje citlivosť a minimalizuje šum v tmavom prostredí.
• Vylepšená presnosť farieb: Vďaka nerušeným svetelným dráham vytvárajú farebné filtre presnejšie a živšie tóny.
• Kompaktný dizajn pixelov: BSI podporuje menšie veľkosti pixelov pri zachovaní kvality obrazu, ideálne pre snímače s vysokým rozlíšením.
• Vylepšený dynamický rozsah: Lepšie zachytenie signálu vo svetlých aj slabých oblastiach scény.
Porovnanie svetelnej účinnosti a citlivosti
| Funkcia | Snímač FSI CMOS | Snímač BSI |
|---|---|---|
| Svetelná cesta | Svetlo prechádza kabelážou → čiastočnej strate | Priamo na fotodiódu → minimálnou stratou |
| Kvantová účinnosť (QE) | 60 – 70 % | 90 – 100 % |
| Výkon pri slabom osvetlení | Stredný | Vynikajúci |
| Reflexia a presluchy | Vysoká | Nízka |
| Čistota obrazu | Priemer | Ostrý a jasný pri slabom svetle |
Faktor zmenšenia a vyplnenia pixelov
V snímačoch FSI CMOS
Keď veľkosť pixelov klesne pod 1,4 μm, kovové prepojenia a tranzistory zaberajú väčšiu plochu. Faktor výplne sa znižuje, čo má za následok menej svetla zachyteného na pixel a zvýšený šum obrazu. Výsledkom sú tmavšie snímky, znížený kontrast a slabší výkon pri slabom osvetlení.
V snímačoch BSI CMOS
Fotodióda je umiestnená nad kabelážou, čo umožňuje svetlu dopadať priamo na ňu. Táto konfigurácia dosahuje takmer 100% faktor naplnenia, čo znamená, že takmer celá plocha pixelov sa stáva citlivou na svetlo. Snímače BSI zachovávajú rovnomerný jas a vyšší pomer signálu k šumu (SNR) v celom obrazovom ráme. Poskytujú tiež vynikajúci výkon pri slabom osvetlení, a to aj v kompaktných moduloch, ako sú fotoaparáty smartfónov alebo dronov.
Presluchy, hluk a difúzia zadnej strany
| Aspekt | Potenciálne problémy v snímačoch CMOS (FSI) | Potenciálne problémy v snímačoch BSI | Inžinierske riešenia | Vplyv na kvalitu obrazu |
|---|---|---|---|---|
| Optické presluchy | Svetlo je rozptýlené alebo blokované kovovým vedením skôr, ako sa dostane k fotodióde, čo spôsobuje nerovnomerné osvetlenie. | Svetlo uniká do susedných pixelov v dôsledku expozície na zadnej strane. | Deep Trench Isolation (DTI): Vytvára fyzické bariéry medzi pixelmi, aby sa zabránilo optickému rušeniu. | Ostrejšie snímky, lepšie oddelenie farieb a znížené rozmazanie. |
| Rekombinácia náboja | Nosiče náboja sa strácajú v hrubých vrstvách kremíka alebo kovu, čo znižuje citlivosť. | Rekombinácia zadnej strany: Nosiče sa pred zberom rekombinujú v blízkosti exponovaného povrchu. | Pasivačné vrstvy a povrchová úprava: Znížte chyby a zlepšite zber náboja. | Zvýšená citlivosť a znížená strata signálu. |
| Kvitnúci efekt | Preexponovanie v jednom pixele spôsobuje nasýtenie susedných pixelov v dôsledku difúzie prednej strany. | Preexponovanie šíri náboj pod zriedenú vrstvu kremíka. | Povrchové bariéry proti dopingu a náboju: Zadržiavajú náboj a zabraňujú pretečeniu. | Redukované biele pruhy a hladšie svetlá. |
| Elektrický a tepelný hluk | Teplo z tranzistorov na pixeloch vytvára šum v signálovej ceste. | Vyšší šum výstrelu vďaka tenkému kremíku a hustým obvodom. | Nízkošumové zosilňovače a algoritmy redukcie šumu na čipe. | Čistejší obraz, lepší výkon pri slabom osvetlení. |
| Obmedzenie faktora naplnenia | Kovové vrstvy a tranzistory pokrývajú veľkú plochu pixelov, čím znižujú citlivosť na svetlo. | Takmer eliminované - fotodióda plne vystavená svetlu. | BSI štruktúra a optimalizácia mikrošošoviek. | Maximálne zachytenie svetla a rovnomerný jas. |
Od BSI k skladaným architektúram CMOS
Štruktúra skladaného snímača CMOS
| Vrstva | Funkcia | Popis |
|---|---|---|
| Vrchná vrstva | Pixelové pole (BSI Design) | Obsahuje fotodiódy citlivé na svetlo, ktoré zachytávajú prichádzajúce svetlo pomocou štruktúry BSI na maximalizáciu citlivosti. |
| Stredná vrstva | Analógové/digitálne obvody | Zvláda úlohy konverzie signálu, zosilnenia a spracovania obrazu oddelene od poľa pixelov pre čistejšie výstupy. |
| Spodná vrstva | Integrácia pamäte alebo procesora | Môže obsahovať vstavané jadrá spracovania DRAM alebo AI pre rýchle ukladanie údajov do vyrovnávacej pamäte a vylepšenie obrazu v reálnom čase. |
Výhody skladaných snímačov CMOS
• Ultrarýchle čítanie: Umožňuje vysokorýchlostné sériové snímanie a skutočné snímanie videa až do rozlíšenia 4K alebo 8K s minimálnym skreslením uzávierky.
• Vylepšené spracovanie na čipe: Integruje logické obvody, ktoré vykonávajú zlučovanie HDR, korekciu pohybu a redukciu šumu priamo na snímači.
• Energetická účinnosť: Kratšie dátové cesty a nezávislé domény napájania zlepšujú • priepustnosť pri súčasnom znížení spotreby energie.
• Menší tvarový faktor: Vertikálne stohovanie umožňuje kompaktný dizajn modulu ideálny pre smartfóny, automobilové fotoaparáty a drony.
• Podpora AI a výpočtového zobrazovania: Niektoré vrstvené snímače obsahujú vyhradené neurónové procesory pre inteligentné automatické zaostrovanie, rozpoznávanie scény a vylepšenie v reálnom čase.
Dynamický rozsah a farebný výkon v snímačoch CMOS vs BSI
Senzory BSI (podsvietené zadnou stranou)
Odstránením kovových vodičov nad fotodiódou umožňujú snímače BSI fotónom priamo dosiahnuť oblasť citlivú na svetlo. Táto štruktúra zvyšuje kapacitu plnej jamky, zlepšuje absorpciu svetla a minimalizuje orezávanie svetiel. Výsledkom je, že snímače BSI ponúkajú vynikajúci výkon HDR, lepšiu farebnú hĺbku a jemnejšiu gradáciu tieňov, vďaka čomu sú najlepšie pre HDR fotografiu, lekárske zobrazovanie a sledovanie pri slabom osvetlení.
Senzory FSI (podsvietené na prednej strane)
Naproti tomu snímače FSI vyžadujú, aby svetlo prešlo niekoľkými vrstvami obvodov, kým sa dostane k fotodióde. To spôsobuje čiastočný odraz a rozptyl, čo obmedzuje dynamický rozsah a schopnosť mapovania tónov. Sú náchylnejšie na preexponovanie v jasných podmienkach a často produkujú menej presné farby v hlbokých tieňoch.
Aplikácie snímačov CMOS vs BSI
Snímače CMOS (FSI)
• Strojové videnie
• Priemyselná inšpekcia
• Lekárska endoskopia
• Sledovacie kamery
Snímače BSI
• Smartfóny
• Digitálne fotoaparáty
• Automobilový priemysel ADAS
• Astronómia a vedecké zobrazovanie
• Nahrávanie videa v rozlíšení 8K
Budúci vývoj snímačov CMOS vs BSI
• 3D vrstvené návrhy kombinujú pixelové, logické a pamäťové vrstvy pre ultrarýchle čítanie a zobrazovanie riadené umelou inteligenciou.
• Senzory BSI s globálnou uzávierkou eliminujú skreslenie pohybu pre robotiku, drony a automobilové systémy.
• Organické snímače CMOS a snímače s kvantovými bodmi poskytujú vyššiu citlivosť, širšiu spektrálnu odozvu a sýtejšie farby.
• Spracovanie AI na snímači umožňuje redukciu šumu v reálnom čase, detekciu objektov a adaptívne riadenie expozície.
• Hybridné zobrazovacie platformy spájajú výhody CMOS a BSI, zlepšujú dynamický rozsah a znižujú spotrebu energie.
Záver
Snímače CMOS a BSI zmenili moderné zobrazovanie, pričom BSI ponúka vyššiu citlivosť na svetlo, menej šumu a lepšiu presnosť farieb. Vzostup vrstvených snímačov CMOS a integrovaných do umelej inteligencie ďalej zvyšuje rýchlosť, čistotu obrazu a dynamický rozsah. Tieto technológie spoločne pokračujú v napredovaní fotografie, sledovania a vedeckého zobrazovania s väčšou presnosťou a efektívnosťou.
často kladené otázky
Aké materiály sa používajú v snímačoch CMOS a BSI?
Obe používajú kremíkové doštičky. Senzory BSI tiež obsahujú stenčené kremíkové vrstvy, mikrošošovky a kovové prepojenia pre lepšiu absorpciu svetla.
Ktorý typ snímača spotrebuje viac energie?
Senzory BSI spotrebúvajú viac energie vďaka svojej zložitej konštrukcii a rýchlejšiemu spracovaniu údajov, hoci moderné konštrukcie zvyšujú účinnosť.
Prečo sú snímače BSI drahšie ako CMOS?
Snímače BSI vyžadujú ďalšie výrobné kroky, ako je riedenie doštičiek a presné zarovnanie vrstiev, čo predražuje ich výrobu.
Ako tieto senzory zvládajú teplo?
Vysoké teploty zvyšujú hluk v oboch snímačoch. Návrhy BSI často obsahujú lepšiu tepelnú kontrolu, aby sa zachovala stabilná kvalita obrazu.
Môžu snímače CMOS a BSI detekovať infračervené svetlo?
Áno. Keď sú vybavené povrchovou úpravou citlivou na IR alebo odstránenými filtrami, obe môžu detekovať infračervené žiarenie, pričom BSI vykazuje lepšiu IR citlivosť.
Aký je účel mikrošošoviek na obrazových snímačoch?
Mikrošošovky vedú svetlo priamo do fotodiódy každého pixelu, čím zlepšujú jas a účinnosť v menších snímačoch BSI.