Датчики изображения необходимы в камерах, от телефонов до телескопов, улавливающих свет и превращающих его в изображения. Сенсоры CMOS (Front-Side Illuminated) и BSI (Backside-Illuminated) работают по схожим принципам, но различаются по структуре, влияя на захват света, шум и качество цветопередачи. В этой статье подробно описываются их конструкции, производительность, использование и будущие разработки.
С1. Обзор сенсоров CMOS и BSI
С2. Архитектура КМОП-сенсора
С3. Внутри CMOS-матрицы BSI
С4. Сравнение светоэффективности и чувствительности
С5. Уменьшение пикселей и коэффициент заполнения
С6. Перекрестные помехи, шум и обратная диффузия
СС7. От BSI к многоуровневым CMOS-архитектурам
С8. Динамический диапазон и цветопередача в сенсорах CMOS и BSI
С9. Применение КМОП и BSI-сенсоров
С10. Будущие разработки в области КМОП и BSI-сенсоров
С11. Заключение
С12. Часто задаваемые вопросы
Обзор сенсоров CMOS и BSI
Каждая камера, от смартфона в кармане до телескопов, исследующих далекие галактики, зависит от того, насколько эффективно датчик изображения улавливает свет. Сенсоры CMOS и BSI основаны на схожих принципах работы полупроводников, но их структурные различия приводят к значительным различиям в светочувствительности, шумовых характеристиках и качестве изображения. В традиционных датчиках CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) металлическая проводка и транзисторы расположены над фотодиодами, частично блокируя входящий свет и снижая общую чувствительность. Такая конструкция делает КМОП-сенсоры экономичными и простыми в производстве, но ограничивает производительность при слабом освещении. В отличие от них, датчики BSI (Back-Side Illuminated) переворачивают конструкцию, располагая фотодиод сверху так, чтобы свет достигал его напрямую, не препятствуя ему. Это повышает квантовую эффективность, снижает уровень шума и повышает производительность в компактных и высокотехнологичных системах обработки изображений, от цифровых зеркальных камер до научных приборов.
Архитектура КМОП-сенсора
CMOS-матрица с фронтальной боковой подсветкой (FSI) представляет собой более раннюю и традиционную конструкцию матрицы, используемую в цифровых камерах и смартфонах. В этой архитектуре входящий свет должен пройти через несколько слоев материала, прежде чем достичь фотодиода — светочувствительной области, отвечающей за преобразование фотонов в электрические сигналы.
Рабочий процесс
Каждый пиксель дисплея работает с помощью скоординированного процесса, включающего микролинзы, цветные фильтры, металлические межсоединения, транзисторы и слой фотодиодов. Микролинзы сначала фокусируют входящий свет через красный, зеленый и синий цветные фильтры, гарантируя, что до каждого субпикселя доходит только определенная длина волны. Над фотодиодом металлические межсоединения и транзисторы управляют электрическим управлением пикселем и считыванием сигнала, хотя их положение может частично блокировать часть входящего света. Под этими слоями находится фотодиод, который улавливает оставшийся свет и преобразует его в электрический заряд, формируя основной сигнал изображения пикселя.
Ограничения проектирования FSI
• Пониженная светочувствительность: часть света отражается или поглощается слоями проводки и транзистора, прежде чем он достигает фотодиода.
• Нижний коэффициент заполнения: по мере уменьшения размеров пикселей отношение светочувствительной области к общей площади пикселей уменьшается, что приводит к увеличению шума.
• Более слабая производительность при слабом освещении: датчики FSI не справляются с работой в условиях низкой освещенности по сравнению с современными альтернативами, такими как датчики BSI.
Внутри CMOS-матрицы BSI
КМОП-матрица с тыловой подсветкой (BSI) произвела революцию в области цифровой визуализации, устранив главный недостаток традиционных конструкций с фронтальной подсветкой (FSI) — блокировку света металлической проводкой и транзисторами. Изменяя структуру сенсора, BSI позволяет входящему свету попадать непосредственно на фотодиод, значительно улучшая светоотдачу и качество изображения.
Технологическая функция BSI
• Кремниевая пластина утончается до нескольких микрометров, чтобы обнажить светочувствительный слой
• Слой фотодиода расположен на верхней стороне, прямо обращенной к входящему свету
• Металлическая проводка и транзисторные цепи смещены на заднюю сторону, что предотвращает загораживание световых путей
• Усовершенствованные микролинзы точно выровнены по каждому пикселю для обеспечения оптимальной фокусировки света
Преимущества датчиков BSI
• Более высокая эффективность поглощения света: улучшение до 30–50% по сравнению с датчиками FSI, что приводит к более ярким и чистым изображениям.
• Превосходная производительность при слабом освещении: уменьшенные потери фотонов повышают чувствительность и минимизируют шум в темноте.
• Улучшенная точность цветопередачи: благодаря беспрепятственным световым путям цветные фильтры создают более точные и яркие тона.
• Компактный пиксельный дизайн: BSI поддерживает меньшие размеры пикселей при сохранении качества изображения, что идеально подходит для сенсоров с высоким разрешением.
• Расширенный динамический диапазон: улучшенный захват сигнала как в ярких, так и в тусклых областях сцены.
Сравнение светоотдачи и чувствительности
| Функция | CMOS-сенсор FSI | Датчик BSI |
|---|---|---|
| Световой путь | Свет проходит через проводку → частичными потерями | Прямое подключение к фотодиоду → минимальными потерями |
| Квантовая эффективность (QE) | 60–70% | 90–100% |
| Производительность при слабом освещении | Умеренный | Превосходно |
| Отражение и перекрестные помехи | Высокий | Низкий |
| Четкость изображения | Средний | Резкий и яркий при тусклом свете |
Сжатие пикселей и коэффициент заполнения
В КМОП-сенсорах FSI
Когда размер пикселя падает ниже 1,4 мкм, металлические межсоединения и транзисторы занимают большую площадь поверхности. Коэффициент заполнения уменьшается, что приводит к уменьшению количества света на пиксель и увеличению шума изображения. В результате изображения становятся темнее, контрастнее и производительность слабее в условиях низкой освещенности.
В КМОП-сенсорах BSI
Фотодиод расположен над проводкой, что позволяет свету попадать прямо на него. Эта конфигурация обеспечивает почти 100% коэффициент заполнения, что означает, что почти вся площадь пикселя становится светочувствительной. Датчики BSI поддерживают равномерную яркость и более высокое отношение сигнал/шум (SNR) по всему кадру изображения. Они также обеспечивают превосходную производительность при слабом освещении даже в компактных модулях, таких как камеры смартфонов или дронов.
Перекрестные помехи, шум и обратная диффузия
| Аспект | Потенциальные проблемы в сенсорах CMOS (FSI) | Потенциальные проблемы в датчиках BSI | Инженерные решения | Влияние на качество изображения |
|---|---|---|---|---|
| Оптические перекрестные помехи | Свет рассеивается или блокируется металлической проводкой, не доходя до фотодиода, что приводит к неравномерному освещению. | Свет просачивается в соседние пиксели из-за обратной стороны. | Глубокая изоляция траншеи (DTI): создает физические барьеры между пикселями для предотвращения оптических помех. | Более четкие изображения, улучшенное цветоделение и уменьшенное размытие. |
| Рекомбинация заряда | Носители заряда теряются в толстых слоях кремния или металла, что снижает чувствительность. | Рекомбинация обратной стороны: Носители рекомбинируют рядом с открытой поверхностью перед сбором. | Пассивация слоев и обработка поверхности: Уменьшение количества дефектов и улучшение сбора заряда. | Повышенная чувствительность и сниженные потери сигнала. |
| Эффект цветения | Пересвет в одном пикселе приводит к насыщению соседних пикселей из-за диффузии на лицевой стороне. | При передержке заряд распределяется под истонченным слоем кремния. | Поверхностные барьеры для легирования и заряда: удерживают заряд и предотвращают переполнение. | Уменьшение белых разводов и более плавные блики. |
| Электрические и тепловые шумы | Тепло от пиксельных транзисторов создает шум на пути сигнала. | Более высокий уровень шума при дроби благодаря тонкому кремнию и плотной схеме. | Малошумящие усилители и встроенные алгоритмы шумоподавления. | Более четкие изображения, улучшенная производительность при слабом освещении. |
| Ограничение коэффициента заполнения | Металлические слои и транзисторы покрывают большую площадь пикселя, снижая светочувствительность. | Практически исключено - фотодиод полностью подвергается воздействию света. | BSI Структура и оптимизация микролинз. | Максимальный захват света и равномерная яркость. |
От BSI к многоуровневым CMOS-архитектурам
Структура многослойной КМОП-матрицы
| Слой | Функция | Описание |
|---|---|---|
| Верхний слой | Пиксельная матрица (BSI Design) | Содержит светочувствительные фотодиоды, которые улавливают входящий свет, используя структуру BSI для максимальной чувствительности. |
| Средний слой | Аналоговые/цифровые схемы | Выполняет задачи преобразования, усиления и обработки сигналов отдельно от матрицы пикселей для более четкого вывода. |
| Нижний слой | Интеграция памяти или процессора | Может включать встроенные ядра обработки DRAM или искусственного интеллекта для быстрой буферизации данных и улучшения изображений в режиме реального времени. |
Преимущества многослойных КМОП-сенсоров
• Сверхбыстрое считывание данных: обеспечивает высокоскоростную серийную съемку и захват видео с разрешением до 4K или 8K с минимальными искажениями от скользящего затвора.
• Улучшенная встроенная обработка: интеграция логических схем, выполняющих объединение HDR, коррекцию движения и шумоподавление непосредственно на сенсоре.
• Энергоэффективность: более короткие пути передачи данных и независимые домены питания повышают • пропускную способность при одновременном снижении энергопотребления.
• Меньший форм-фактор: вертикальное стекирование позволяет создавать компактные модули, идеально подходящие для смартфонов, автомобильных камер и дронов.
• Поддержка искусственного интеллекта и вычислительной визуализации: некоторые многоуровневые датчики включают в себя специальные нейронные процессоры для интеллектуальной автофокусировки, распознавания сцен и улучшения в реальном времени.
Динамический диапазон и цветопередача в сенсорах CMOS и BSI
Датчики BSI (задняя подсветка)
Устраняя металлическую проводку над фотодиодом, датчики BSI позволяют фотонам достигать светочувствительной области напрямую. Такая структура увеличивает полноценную емкость, улучшая поглощение света и сводя к минимуму отсечение светлых участков. В результате матрицы BSI обеспечивают превосходную производительность HDR, лучшую глубину цвета и более тонкую градацию теней, что делает их лучшими для HDR-фотографии, медицинской визуализации и видеонаблюдения при слабом освещении.
Датчики FSI (с фронтальной подсветкой)
В отличие от них, датчики FSI требуют, чтобы свет проходил через несколько слоев схемы, прежде чем достичь фотодиода. Это приводит к частичному отражению и рассеянию, что ограничивает динамический диапазон и возможности тональной компрессии. Они более склонны к пересвету при ярком освещении и часто дают менее точную цветопередачу в глубоких тенях.
Применение сенсоров CMOS и BSI
КМОП (FSI) сенсоры
• Машинное зрение
• Производственный контроль
• Медицинская эндоскопия
• Камеры видеонаблюдения
Датчики BSI
• Смартфоны
• Цифровые фотоаппараты
• Автомобильные ADAS
• Астрономия и научная визуализация
• Запись видео в формате 8K
Перспективы развития сенсоров CMOS и BSI
• Многоуровневые 3D-проекты сочетают в себе пиксельный, логический и запоминающий слои для сверхбыстрого считывания и визуализации на основе искусственного интеллекта.
• Датчики BSI с глобальным затвором устраняют искажения при движении робототехники, дронов и автомобильных систем.
• Органические КМОП-матрицы и сенсоры на квантовых точках обеспечивают более высокую чувствительность, более широкий спектральный отклик и более насыщенные цвета.
• Встроенная обработка искусственного интеллекта обеспечивает подавление шума в режиме реального времени, обнаружение объектов и адаптивное управление экспозицией.
• Гибридные платформы обработки изображений сочетают в себе преимущества КМОП и BSI, улучшая динамический диапазон и снижая энергопотребление.
Заключение
Сенсоры CMOS и BSI изменили современную систему обработки изображений, при этом BSI обеспечивает более высокую светочувствительность, меньший уровень шума и лучшую точность цветопередачи. Использование многослойных КМОП-сенсоров и матриц с поддержкой искусственного интеллекта еще больше повышает скорость, четкость изображения и динамический диапазон. Вместе эти технологии продолжают совершенствовать фотографию, наблюдение и научную визуализацию с большей точностью и эффективностью.
Часто задаваемые вопросы
Какие материалы используются в сенсорах CMOS и BSI?
В обоих используются кремниевые пластины. Датчики BSI также включают в себя тонкие слои кремния, микролинзы и металлические межсоединения для лучшего поглощения света.
Какой тип датчика потребляет больше энергии?
Датчики BSI потребляют больше энергии благодаря своей сложной конструкции и более быстрой обработке данных, хотя современные конструкции повышают эффективность.
Почему сенсоры BSI дороже CMOS?
Датчики BSI требуют дополнительных производственных операций, таких как утончение пластины и точное выравнивание слоев, что делает их производство более дорогостоящим.
Как эти датчики справляются с нагревом?
Высокие температуры увеличивают шум в обоих датчиках. Конструкции BSI часто включают улучшенный термоконтроль для поддержания стабильного качества изображения.
Могут ли датчики CMOS и BSI обнаруживать инфракрасный свет?
Да. При использовании ИК-чувствительных покрытий или снятых фильтров оба могут обнаруживать инфракрасное излучение, при этом BSI показывает лучшую ИК-чувствительность.
Для чего нужны микролинзы на матрицах?
Микролинзы направляют свет непосредственно на фотодиод каждого пикселя, повышая яркость и эффективность сенсоров BSI меньшего размера.