Slikovni senzorji so potrebni v kamerah, od telefonov do teleskopov, ki zajemajo svetlobo in jo spreminjajo v slike. Senzorji CMOS (Front-Side Illuminated) in BSI (Backside-Illuminated) delujejo na podobnih principih, vendar se razlikujejo po strukturi, kar vpliva na zajemanje svetlobe, hrup in kakovost barv. Ta članek podrobno pojasnjuje njihovo zasnovo, zmogljivost, uporabo in prihodnji razvoj.
CC7. Od BSI do zloženih arhitektur CMOS
Pregled senzorja CMOS v primerjavi z BSI
Vsaka kamera, od pametnega telefona v žepu do teleskopov, ki raziskujejo oddaljene galaksije, je odvisna od tega, kako učinkovito slikovni senzor zajema svetlobo. Senzorji CMOS in BSI sledijo podobnim načelom polprevodnikov, vendar njihove strukturne razlike vodijo do velikih razlik v občutljivosti na svetlobo, zmogljivosti hrupa in kakovosti slike. V tradicionalnih senzorjih CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) kovinske napeljave in tranzistorji sedijo nad fotodiodami, delno blokirajo vhodno svetlobo in zmanjšujejo splošno občutljivost. Zaradi te zasnove so senzorji CMOS stroškovno učinkoviti in enostavnejši za izdelavo, vendar omejuje zmogljivost pri šibki svetlobi. V nasprotju s tem senzorji BSI (Back-Side Illuminated) obrnejo strukturo in postavijo fotodiodo na vrh, tako da svetloba doseže neposredno brez ovir. To izboljša kvantno učinkovitost, zmanjša hrup in izboljša zmogljivost v kompaktnih ali vrhunskih sistemih za slikanje, od DSLR fotoaparatov do znanstvenih instrumentov.
Arhitektura senzorja CMOS
Sprednje osvetljeno (FSI) CMOS tipalo predstavlja starejšo in bolj konvencionalno strukturo slikovnega senzorja, ki se uporablja v digitalnih fotoaparatih in pametnih telefonih. V tej arhitekturi mora vhodna svetloba preiti skozi več plasti materialov, preden doseže fotodiodo, svetlobno občutljivo območje, ki je odgovorno za pretvorbo fotonov v električne signale.
Delovni proces
Vsaka slikovna pika na zaslonu deluje skozi usklajen proces, ki vključuje mikroleče, barvne filtre, kovinske medsebojne povezave, tranzistorje in fotodiodno plast. Mikroleče najprej osredotočijo vhodno svetlobo skozi rdeče, zelene in modre barvne filtre, kar zagotavlja, da le določene valovne dolžine dosežejo vsako podslikovno piko. Nad fotodiodo kovinski medsebojni povezovalci in tranzistorji upravljajo električni nadzor piksle in odčitavanje signala, čeprav lahko njihov položaj delno blokira nekaj vhodne svetlobe. Pod temi plastmi leži fotodioda, ki zajame preostalo svetlobo in jo pretvori v električni naboj, ki tvori osnovni slikovni signal slikovne pike.
Omejitve zasnove FSI
• Zmanjšana občutljivost na svetlobo: Del svetlobe se odbije ali absorbira s plastmi ožičenja in tranzistorja, preden doseže fotodiodo.
• Nižji faktor polnjenja: Ko se velikost slikovnih pik zmanjša, se razmerje med svetlobno občutljivim območjem in celotno površino slikovnih pik zmanjša, kar povzroči več hrupa.
• Šibkejša zmogljivost pri šibki svetlobi: Senzorji FSI se borijo v slabih okoljih v primerjavi s sodobnimi alternativami, kot so senzorji BSI.
V notranjosti senzorja BSI CMOS
Senzor CMOS z osvetlitvijo hrbtne strani (BSI) je revolucioniral digitalno slikanje z naslavljanjem glavne pomanjkljivosti tradicionalnih modelov FSI, svetlobne blokade kovinskih napeljav in tranzistorjev. Z obračanjem strukture senzorja BSI omogoča, da vhodna svetloba doseže neposredno fotodiodo, kar dramatično izboljša svetlobno učinkovitost in kakovost slike.
Funkcija tehnologije BSI
• Silikonska rezina se razredči na le nekaj mikrometrov, da se izpostavi fotoobčutljiva plast
• Plast fotodiode je nameščena na zgornji strani, neposredno obrnjena proti vhodni svetlobi
• Kovinska ožičenja in tranzistorska vezja so premaknjena na zadnjo stran, kar preprečuje, da bi ovirali svetlobne poti
• Napredne mikroleče so natančno poravnane po vsaki slikovni piki, da se zagotovi optimalno ostrenje svetlobe
Prednosti senzorjev BSI
• Višja učinkovitost absorpcije svetlobe: Do 30–50% izboljšanje v primerjavi s senzorji FSI, kar ima za posledico svetlejše in čistejše slike.
• Vrhunska zmogljivost pri šibki svetlobi: Zmanjšana izguba fotonov poveča občutljivost in zmanjša hrup v temnih okoljih.
• Izboljšana natančnost barv: Z neoviranimi svetlobnimi potmi barvni filtri ustvarjajo natančnejše in živahnejše tone.
• Kompaktna zasnova slikovnih pik: BSI podpira manjše velikosti slikovnih pik, hkrati pa ohranja kakovost slike, kar je idealno za senzorje visoke ločljivosti.
• Izboljšan dinamični razpon: Boljši zajem signala v svetlih in zatemnjenih predelih prizora.
Primerjava svetlobne učinkovitosti in občutljivosti
| Značilnost | FSI CMOS senzor | Senzor BSI |
|---|---|---|
| Svetlobna pot | Svetloba prehaja skozi ožičenje → delno izgubo | Neposredno na fotodiodo → minimalne izgube |
| Kvantna učinkovitost (QE) | 60–70% | 90–100% |
| Zmogljivost pri šibki svetlobi | Zmerno | Odlično |
| Razmislek in preslušavanje | Visoka | Nizka |
| Jasnost slike | Povprečje | Ostro in svetlo pri šibki svetlobi |
Faktor krčenja in polnjenja slikovnih pik
V senzorjih FSI CMOS
Ko velikost slikovnih pik pade pod 1,4 μm, kovinske povezave in tranzistorji zavzamejo večjo površino. Faktor polnjenja se zmanjša, kar povzroči manj svetlobe na slikovno piko in povečan šum slike. Rezultat so temnejše slike, zmanjšan kontrast in šibkejša zmogljivost v pogojih šibke svetlobe.
V senzorjih BSI CMOS
Fotodioda je nameščena nad ožičenjem, kar omogoča, da svetloba neposredno udari nanjo. Ta konfiguracija doseže skoraj 100% faktor polnjenja, kar pomeni, da skoraj celotno območje slikovnih pik postane občutljivo na svetlobo. Senzorji BSI ohranjajo enakomerno svetlost in višje razmerje med signalom in šumom (SNR) v celotnem slikovnem okvirju. Zagotavljajo tudi vrhunsko zmogljivost pri šibki svetlobi, tudi v kompaktnih modulih, kot so kamere pametnih telefonov ali dronov.
Presluh, hrup in difuzija na hrbtni strani
| Vidik | Morebitne težave s senzorji CMOS (FSI) | Morebitne težave pri senzorjih BSI | Inženirske rešitve | Vpliv na kakovost slike |
|---|---|---|---|---|
| Optični presluh | Svetloba se razprši ali blokira s kovinsko napeljavo, preden doseže fotodiodo, kar povzroči neenakomerno osvetlitev. | Svetloba pušča v sosednje slikovne pike zaradi izpostavljenosti na hrbtni strani. | Globoka izolacija jarkov (DTI): Ustvari fizične ovire med slikovnimi pikami, da prepreči optične motnje. | Ostrejše slike, boljše ločevanje barv in zmanjšano zamegljenost. |
| Rekombinacija naboja | Nosilci naboja se izgubijo v debelih silikonskih ali kovinskih plasteh, kar zmanjšuje občutljivost. | Rekombinacija hrbtne strani: Nosilci se pred zbiranjem rekombinirajo blizu izpostavljene površine. | Pasivacijske plasti in površinska obdelava: Zmanjšajte napake in izboljšajte zbiranje naboja. | Izboljšana občutljivost in zmanjšana izguba signala. |
| Učinek cvetenja | Prekomerna izpostavljenost v eni slikovni piki povzroči nasičenost sosednjih slikovnih pik zaradi difuzije sprednje strani. | Prekomerna izpostavljenost širi naboj pod razredčeno plast silicija. | Površinske ovire za doping in polnjenje: Zadržujejo naboj in preprečujejo prelivanje. | Zmanjšane bele proge in bolj gladki poudarki. |
| Električni in toplotni hrup | Toplota tranzistorjev na slikovnih pikah ustvarja šum v signalni poti. | Višji hrup zaradi tankega silicija in gostega vezja. | Ojačevalniki z nizkim šumom in algoritmi za zmanjšanje hrupa na čipu. | Čistejše slike, izboljšana zmogljivost pri šibki svetlobi. |
| Omejitev faktorja polnjenja | Kovinske plasti in tranzistorji pokrivajo veliko površino slikovnih pik, kar zmanjšuje občutljivost na svetlobo. | Skoraj odpravljena - fotodioda popolnoma izpostavljena svetlobi. | BSI struktura in optimizacija mikroleč. | Največji zajem svetlobe in enakomerna svetlost. |
Od BSI do zloženih arhitektur CMOS
Struktura zloženega senzorja CMOS
| Plast | Funkcija | Opis |
|---|---|---|
| Zgornji sloj | Niz slikovnih pik (BSI Design) | Vsebuje svetlobno občutljive fotodiode, ki zajemajo vhodno svetlobo z uporabo strukture BSI za povečanje občutljivosti. |
| Srednji sloj | Analogna / digitalna vezja | Obravnava naloge pretvorbe signala, ojačevanja in obdelave slik ločeno od niza slikovnih pik za čistejše izhode. |
| Spodnja plast | Integracija pomnilnika ali procesorja | Lahko vključuje vgrajena jedra za obdelavo DRAM ali AI za hitro medpomnjenje podatkov in izboljšanje slike v realnem času. |
Prednosti zloženih CMOS senzorjev
• Ultra-hitro branje: Omogoča hitro neprekinjeno fotografiranje in dejansko zajemanje videoposnetkov do ločljivosti 4K ali 8K z minimalnim popačenjem zaklopa.
• Izboljšana obdelava na čipu: Integrira logična vezja, ki izvajajo združevanje HDR, korekcijo gibanja in zmanjšanje šuma neposredno na senzorju.
• Energetska učinkovitost: Krajše podatkovne poti in neodvisne domene moči izboljšajo • prepustnost ob hkratnem zmanjšanju porabe energije.
• Manjši faktor oblike: Navpično zlaganje omogoča kompaktno zasnovo modulov, ki so idealni za pametne telefone, avtomobilske kamere in brezpilotna letala.
• Podpora za umetno inteligenco in računalniško slikanje: Nekateri zloženi senzorji vključujejo namenske nevronske procesorje za inteligentno samodejno ostrenje, prepoznavanje prizorov in izboljšanje v realnem času.
Dinamični razpon in barvna zmogljivost v senzorjih CMOS v primerjavi z BSI
Senzorji BSI (z osvetlitvijo na zadnji strani)
Z odstranitvijo kovinskih ožičev nad fotodiodo senzorji BSI omogočajo fotonom, da neposredno dosežejo območje, občutljivo na svetlobo. Ta struktura poveča zmogljivost polne vrtine, izboljša absorpcijo svetlobe in zmanjša obrezovanje poudarkov. Posledično senzorji BSI ponujajo vrhunsko zmogljivost HDR, boljšo barvno globino in natančnejšo gradacijo senc, zaradi česar so najboljši za HDR fotografijo, medicinsko slikanje in nadzor pri šibki svetlobi.
Senzorji FSI (osvetljeni na sprednji strani)
V nasprotju s tem senzorji FSI zahtevajo, da svetloba preide skozi več plasti vezij, preden doseže fotodiodo. To povzroči delni odboj in razprševanje, kar omejuje dinamični razpon in zmogljivost preslikave tonov. Bolj so nagnjeni k prekomerni izpostavljenosti v svetlih pogojih in pogosto proizvajajo manj natančne barve v globokih sencah.
Uporaba CMOS v primerjavi s senzorji BSI
CMOS (FSI) senzorji
• Strojni vid
• Industrijska inšpekcija
• Medicinska endoskopija
• Nadzorne kamere
Senzorji BSI
• Pametni telefoni
• Digitalni fotoaparati
• Avtomobilski ADAS
•Astronomija in znanstveno slikanje
• Snemanje videoposnetkov 8K
Prihodnji razvoj CMOS v primerjavi s senzorji BSI
• 3D-zloženi modeli združujejo plasti slikovnih pik, logike in pomnilnika za ultra hitro branje in slikanje, ki ga poganja umetna inteligenca.
• Senzorji BSI z globalnim zaklopom odpravljajo popačenje gibanja za robotiko, brezpilotna letala in avtomobilske sisteme.
• Organski CMOS in senzorji s kvantnimi pikami zagotavljajo večjo občutljivost, širši spektralni odziv in bogatejše barve.
• Obdelava umetne inteligence na senzorju omogoča zmanjšanje hrupa v realnem času, zaznavanje predmetov in prilagodljiv nadzor osvetlitve.
• Hibridne platforme za slikanje združujejo prednosti CMOS in BSI, izboljšujejo dinamični razpon in zmanjšujejo porabo energije.
Zaključek
Senzorji CMOS in BSI so preoblikovali sodobno slikanje, pri čemer BSI ponuja večjo občutljivost na svetlobo, manj hrupa in boljšo natančnost barv. Vzpon zloženih CMOS in senzorjev, integriranih z umetno inteligenco, še dodatno izboljša hitrost, jasnost slike in dinamični razpon. Skupaj te tehnologije še naprej izboljšujejo fotografijo, nadzor in znanstveno slikanje z večjo natančnostjo in učinkovitostjo.
Pogosto zastavljena vprašanja
Kateri materiali se uporabljajo v senzorjih CMOS in BSI?
Oba uporabljata silicijeve rezine. Senzorji BSI vključujejo tudi razredčene silikonske plasti, mikroleče in kovinske medsebojne povezave za boljšo absorpcijo svetlobe.
Katera vrsta senzorja porabi več energije?
Senzorji BSI porabijo več energije zaradi svoje zapletene zasnove in hitrejše obdelave podatkov, čeprav sodobni modeli izboljšujejo učinkovitost.
Zakaj so senzorji BSI dražji od CMOS?
Senzorji BSI zahtevajo dodatne proizvodne korake, kot so redčenje rezin in natančna poravnava plasti, zaradi česar je njihova proizvodnja dražja.
Kako ti senzorji ravnajo s toploto?
Visoke temperature povečajo hrup v obeh senzorjih. Modeli BSI pogosto vključujejo boljši toplotni nadzor za ohranjanje stabilne kakovosti slike.
Ali lahko senzorji CMOS in BSI zaznajo infrardečo svetlobo?
Da. Ko sta opremljena z IR občutljivimi premazi ali odstranjenimi filtri, lahko oba zaznata infrardečo svetlobo, pri čemer BSI kaže boljšo IR občutljivost.
Kakšen je namen mikroleč na slikovnih senzorjih?
Mikroleče usmerjajo svetlobo neposredno v fotodiodo vsake slikovne pike, kar izboljšuje svetlost in učinkovitost pri manjših senzorjih BSI.