Senzorii de imagine sunt necesari în camere, de la telefoane la telescoape, care captează lumina și o transformă în imagini. Senzorii CMOS (Front-Side Illuminated) și BSI (Backside-Illuminated) funcționează pe principii similare, dar diferă ca structură, afectând captarea luminii, zgomotul și calitatea culorilor. Acest articol explică în detaliu designul, performanța, utilizările și evoluțiile viitoare.
CC7. De la BSI la arhitecturi CMOS stivuite
Prezentare generală a senzorului CMOS vs BSI
Fiecare cameră, de la smartphone-ul din buzunar până la telescoapele care explorează galaxii îndepărtate, depinde de cât de eficient captează lumina. Atât senzorii CMOS, cât și BSI urmează principii similare ale semiconductorilor, dar diferențele lor structurale duc la variații majore în sensibilitatea la lumină, performanța zgomotului și calitatea imaginii. În senzorii CMOS tradiționali (Front-Side Illuminated, FSI), cablurile metalice și tranzistoarele se află deasupra fotodiodelor, blocând parțial lumina de intrare și reducând sensibilitatea generală. Acest design face ca senzorii CMOS să fie rentabili și mai ușor de fabricat, dar limitează performanța în condiții de lumină scăzută. În schimb, senzorii BSI (Back-Side Illuminated) răstoarnă structura, poziționând fotodioda deasupra, astfel încât lumina să ajungă direct la ea fără obstacole. Acest lucru îmbunătățește eficiența cuantică, reduce zgomotul și îmbunătățește performanța în sistemele de imagistică compacte sau de ultimă generație, de la camere DSLR la instrumente științifice.
Arhitectura senzorului CMOS
Un senzor CMOS cu iluminare frontală (FSI) reprezintă structura senzorului de imagine mai veche și mai convențională utilizată în camerele digitale și smartphone-uri. În această arhitectură, lumina de intrare trebuie să treacă prin mai multe straturi de materiale înainte de a ajunge la fotodiodă, regiunea sensibilă la lumină responsabilă de conversia fotonilor în semnale electrice.
Procesul de lucru
Fiecare pixel din afișaj funcționează printr-un proces coordonat care implică microlentile, filtre de culoare, interconexiuni metalice, tranzistori și un strat de fotodiode. Microlentilele focalizează mai întâi lumina primită prin filtrele de culoare roșu, verde și albastru, asigurându-se că doar anumite lungimi de undă ajung la fiecare subpixel. Deasupra fotodiodei, interconexiunile metalice și tranzistoarele gestionează controlul electric al pixelului și citirea semnalului, deși poziția lor poate bloca parțial o parte din lumina primită. Sub aceste straturi se află fotodioda, care captează lumina rămasă și o transformă într-o sarcină electrică, formând semnalul de bază al pixelului.
Limitările proiectării FSI
• Sensibilitate redusă la lumină: O parte din lumină este reflectată sau absorbită de straturile de cabluri și tranzistori înainte de a ajunge la fotodiodă.
• Factor de umplere mai mic: Pe măsură ce dimensiunile pixelilor se micșorează, raportul dintre zona sensibilă la lumină și zona totală a pixelilor scade, ceea ce duce la mai mult zgomot.
• Performanță mai slabă în condiții de lumină scăzută: Senzorii FSI se luptă în medii întunecate în comparație cu alternativele moderne, cum ar fi senzorii BSI.
În interiorul senzorului CMOS BSI
Senzorul CMOS Backside-Illuminated (BSI) a revoluționat imagistica digitală prin abordarea dezavantajelor majore ale modelelor tradiționale Front-Side Illuminated (FSI), blocarea luminii de la cablurile metalice și tranzistorii. Prin inversarea structurii senzorului, BSI permite luminii de intrare să ajungă direct la fotodiodă, îmbunătățind dramatic eficiența luminii și calitatea imaginii.
Funcția tehnologiei BSI
• Placheta de siliciu este subțiată la doar câțiva micrometri pentru a expune stratul fotosensibil
• Stratul de fotodiodă este poziționat pe partea superioară, direct spre lumina de intrare
• Cablurile metalice și circuitele tranzistorului sunt mutate în partea din spate, împiedicându-le să obstrucționeze căile de lumină
• Microlentilele avansate sunt aliniate cu precizie peste fiecare pixel pentru a asigura focalizarea optimă a luminii
Avantajele senzorilor BSI
• Eficiență mai mare de absorbție a luminii: Îmbunătățire de până la 30-50% în comparație cu senzorii FSI, rezultând imagini mai luminoase și mai curate.
• Performanță superioară în condiții de lumină scăzută: pierderea redusă de fotoni îmbunătățește sensibilitatea și minimizează zgomotul în medii întunecate.
• Precizie îmbunătățită a culorilor: Cu căi de lumină neobstrucționate, filtrele de culoare produc tonuri mai precise și mai vii.
• Design compact al pixelilor: BSI acceptă dimensiuni mai mici ale pixelilor, menținând în același timp calitatea imaginii, ideală pentru senzorii de înaltă rezoluție.
• Gamă dinamică îmbunătățită: Captare mai bună a semnalului atât în regiunile luminoase, cât și în cele întunecate ale unei scene.
Comparația eficienței luminii și a sensibilității
| Caracteristică | Senzor CMOS FSI | Senzor BSI |
|---|---|---|
| Calea luminii | Lumina trece prin cabluri → pierdere parțială | Direct la fotodiodă → pierderi minime |
| Eficiență cuantică (QE) | 60-70% | 90-100% |
| Performanță în condiții de lumină scăzută | Moderat | Excelent |
| Reflecție și diafonie | Ridicat | Scăzut |
| Claritate imagine | Medie | Clar și luminos în lumină slabă |
Micșorarea pixelilor și factorul de umplere
În senzorii CMOS FSI
Pe măsură ce dimensiunea pixelilor scade sub 1,4 μm, metalul se interconectează și tranzistoarele ocupă o suprafață mai mare. Factorul de umplere scade, rezultând mai puțină lumină captată pe pixel și zgomot crescut al imaginii. Rezultatul sunt imagini mai întunecate, contrast redus și performanțe mai slabe în condiții de lumină scăzută.
În senzori CMOS BSI
Fotodioda este poziționată deasupra cablajului, permițând luminii să o lovească direct. Această configurație atinge un factor de umplere de aproape 100%, ceea ce înseamnă că aproape întreaga zonă a pixelilor devine sensibilă la lumină. Senzorii BSI mențin luminozitatea uniformă și un raport semnal-zgomot (SNR) mai mare pe tot cadrul imaginii. De asemenea, oferă performanțe superioare în condiții de lumină scăzută, chiar și în module compacte, cum ar fi camerele de smartphone sau drone.
Diafonie, zgomot și difuzie din spate
| Aspect | Probleme potențiale ale senzorilor CMOS (FSI) | Probleme potențiale în senzorii BSI | Soluții de inginerie | Impactul asupra calității imaginii |
|---|---|---|---|---|
| Diafonie optică | Lumina este împrăștiată sau blocată de cabluri metalice înainte de a ajunge la fotodiodă, provocând iluminare neuniformă. | Lumina se scurge în pixelii vecini din cauza expunerii din spate. | Izolare profundă a șanțurilor (DTI): Creează bariere fizice între pixeli pentru a preveni interferențele optice. | Imagini mai clare, separare mai bună a culorilor și neclaritate redusă. |
| Recombinarea încărcăturii | Purtătorii de sarcină se pierd în straturi groase de siliciu sau metal, reducând sensibilitatea. | Recombinare pe partea din spate: Suporturile se recombină lângă suprafața expusă înainte de colectare. | Straturi de pasivare și tratament de suprafață: Reduceți defectele și îmbunătățiți colectarea sarcinii. | Sensibilitate îmbunătățită și pierderi reduse de semnal. |
| Efect de înflorire | Supraexpunerea într-un pixel determină saturarea pixelilor adiacenți din cauza difuziei frontale. | Supraexpunerea răspândește sarcina sub stratul de siliciu subțire. | Bariere de dopaj și încărcare de suprafață: Limitează încărcarea și previne revărsarea. | Dungi albe reduse și lumini mai netede. |
| Zgomot electric și termic | Căldura de la tranzistorii pe pixel generează zgomot în calea semnalului. | Zgomot mai mare datorită siliciului subțire și circuitelor dense. | Amplificatoare cu zgomot redus și algoritmi de reducere a zgomotului pe cip. | Imagini mai curate, performanțe îmbunătățite în condiții de lumină scăzută. |
| Limitarea factorului de umplere | Straturile metalice și tranzistoarele acoperă o suprafață mare de pixeli, reducând sensibilitatea la lumină. | Aproape eliminat - fotodiodă complet expusă la lumină. | Structura BSI și optimizarea microlentilelor. | Captare maximă a luminii și luminozitate uniformă. |
De la BSI la arhitecturi CMOS stivuite
Structura unui senzor CMOS stivuit
| Strat | Funcție | Descriere |
|---|---|---|
| Stratul superior | Matrice de pixeli (design BSI) | Conține fotodiodele sensibile la lumină care captează lumina primită, folosind o structură BSI pentru a maximiza sensibilitatea. |
| Strat mijlociu | Circuite analogice/digitale | Gestionează sarcinile de conversie a semnalului, amplificare și procesare a imaginilor separat de matricea de pixeli pentru ieșiri mai curate. |
| Stratul inferior | Integrarea memoriei sau a procesorului | Poate include nuclee de procesare DRAM sau AI încorporate pentru buffering rapid de date și îmbunătățirea imaginii în timp real. |
Avantajele senzorilor CMOS stivuiți
• Citire ultra-rapidă: Permite fotografierea continuă de mare viteză și captura video reală de până la rezoluții 4K sau 8K cu distorsiuni minime ale obturatorului.
• Procesare îmbunătățită pe cip: Integrează circuite logice care efectuează îmbinarea HDR, corecția mișcării și reducerea zgomotului direct pe senzor.
• Eficiență energetică: căile de date mai scurte și domeniile de alimentare independente îmbunătățesc randamentul, reducând în același timp consumul de energie.
• Factor de formă mai mic: stivuirea verticală permite un design compact al modulului, ideal pentru smartphone-uri, camere auto și drone.
• Suport AI și imagistică computațională: Unii senzori stivuiți includ procesoare neuronale dedicate pentru focalizare automată inteligentă, recunoaștere a scenei și îmbunătățire în timp real.
Gama dinamică și performanța culorilor în senzorii CMOS vs BSI
Senzori BSI (iluminați din spate)
Prin eliminarea cablurilor metalice de deasupra fotodiodei, senzorii BSI permit fotonilor să ajungă direct în zona sensibilă la lumină. Această structură crește capacitatea completă a puțului, îmbunătățind absorbția luminii și minimizând tăierea luminilor. Ca urmare, senzorii BSI oferă performanțe HDR superioare, adâncime de culoare mai bună și gradație mai fină a umbrelor, făcându-i cei mai buni pentru fotografia HDR, imagistica medicală și supravegherea în condiții de lumină scăzută.
Senzori FSI (iluminați pe partea frontală)
În schimb, senzorii FSI necesită ca lumina să treacă prin mai multe straturi de circuite înainte de a ajunge la fotodiodă. Acest lucru provoacă reflexie parțială și împrăștiere, ceea ce limitează gama dinamică și capacitatea de cartografiere a tonurilor. Sunt mai predispuse la supraexpunere în condiții luminoase și adesea produc culori mai puțin precise în umbre profunde.
Aplicații ale senzorilor CMOS vs BSI
Senzori CMOS (FSI)
• Viziune artificială
• Inspecție industrială
• Endoscopie medicală
• Camere de supraveghere
Senzori BSI
• Smartphone-uri
• Camere digitale
• ADAS auto
•Astronomie și imagistică științifică
• Înregistrare video 8K
Evoluții viitoare în senzorii CMOS vs BSI
• Design-urile 3D combină pixeli, logică și straturi de memorie pentru citire ultra-rapidă și imagini bazate pe inteligență artificială.
• Senzorii BSI cu obturator global elimină distorsiunea mișcării pentru robotică, drone și sisteme auto.
• Senzorii organici CMOS și cu puncte cuantice oferă o sensibilitate mai mare, un răspuns spectral mai larg și culori mai bogate.
• Procesarea AI pe senzor permite reducerea zgomotului în timp real, detectarea obiectelor și controlul adaptiv al expunerii.
• Platformele de imagistică hibride îmbină avantajele CMOS și BSI, îmbunătățind intervalul dinamic și reducând consumul de energie.
Concluzie
Senzorii CMOS și BSI au remodelat imaginile moderne, BSI oferind o sensibilitate mai mare la lumină, mai puțin zgomot și o precizie mai bună a culorilor. Creșterea senzorilor CMOS și integrați AI îmbunătățește și mai mult viteza, claritatea imaginii și intervalul dinamic. Împreună, aceste tehnologii continuă să avanseze fotografia, supravegherea și imagistica științifică cu mai multă precizie și eficiență.
Întrebări frecvente
Ce materiale sunt utilizate în senzorii CMOS și BSI?
Ambele folosesc plachete de siliciu. Senzorii BSI includ, de asemenea, straturi subțiri de siliciu, microlentile și interconexiuni metalice pentru o mai bună absorbție a luminii.
Ce tip de senzor folosește mai multă energie?
Senzorii BSI consumă mai multă energie datorită designului lor complex și procesării mai rapide a datelor, deși designul modern îmbunătățește eficiența.
De ce sunt senzorii BSI mai scumpi decât CMOS?
Senzorii BSI necesită etape suplimentare de fabricație, cum ar fi subțierea plachetelor și alinierea precisă a straturilor, ceea ce îi face mai costisitori de produs.
Cum gestionează acești senzori căldura?
Temperaturile ridicate cresc zgomotul în ambii senzori. Modelele BSI includ adesea un control termic mai bun pentru a menține calitatea imaginii stabilă.
Senzorii CMOS și BSI pot detecta lumina infraroșie?
Da. Când sunt echipate cu acoperiri sensibile la IR sau filtre îndepărtate, ambele pot detecta infraroșu, BSI prezentând o sensibilitate IR mai bună.
Care este scopul microlentilelor pe senzorii de imagine?
Microlentilele ghidează lumina direct în fotodioda fiecărui pixel, îmbunătățind luminozitatea și eficiența senzorilor BSI mai mici.