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背照式CMOS ?

  • 來(lái)源:光虎



提到背照式CMOS,相信很多朋友首先會(huì)聯(lián)想到智能手機(jī)等小型影像記錄設(shè)備。現(xiàn)在主流的手機(jī)的攝像頭均采用了背照式和堆棧式兩種類(lèi)型的傳感器。



想要弄清楚背照式中的含義,就必須要先了解傳統(tǒng)CMOS——前照式(FrontSide Illumination,縮寫(xiě)為FSI)的結(jié)構(gòu)。


前照式CMOS


CMOS是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)FSI結(jié)構(gòu)中,自上至下依次為微透鏡(Micro-lens)、彩色濾光鏡(Color Filter)、電路層(Wiring Layers)和光電二極管(Photodiodes)。



 

不難發(fā)現(xiàn):CMOS總面積 ≈ 光電二極管有效面積 + 電路層有效面積,光電二極管和配套電路需要爭(zhēng)搶感光元件上有限的空間。


電路占據(jù)的面積大,光電二極管占據(jù)的面積就小,CMOS實(shí)際收集的光線就少。對(duì)于智能手機(jī)、便攜數(shù)碼相機(jī)等小型影像記錄設(shè)備來(lái)說(shuō),這就意味著成像質(zhì)量難以提升,最集中表現(xiàn)就是高ISO拍攝時(shí)的噪點(diǎn)大、雜訊多。


那么,能否減少電路面積呢?首先,現(xiàn)代CMOS普遍采用集成模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC)的做法,1列光電二極管對(duì)應(yīng)1個(gè)ADC和1套放大電路。想要提升像素?cái)?shù)量、提高讀取速度就必須增加配套電路。




 

傳統(tǒng)的CMOS “前照式”結(jié)構(gòu),當(dāng)光線射入像素,經(jīng)過(guò)了片上透鏡和彩色濾光片后,先通過(guò)金屬排線層,最后光線才被光電二極管接收。


大家都知道金屬是不透光的,而且還會(huì)反光。所以,在金屬排線這層光線就會(huì)被部分阻擋和反射掉,光電二極管吸收的光線能就只有剛進(jìn)來(lái)的時(shí)候的70%或更少;而且這反射還有可能串?dāng)_旁邊的像素,導(dǎo)致顏色失真。(目前中低檔的CMOS排線層所用金屬是比較廉價(jià)的鋁(Al),鋁對(duì)整個(gè)可見(jiàn)光波段(380~780nm)基本保持90%左右的反射率。


這樣一來(lái),“背照式”CMOS就應(yīng)運(yùn)而出了,其金屬排線層和光電二極管的位置和“前照式”正好顛倒,光線幾乎沒(méi)有阻擋和干擾地就下到光電二極管,光線利用率極高,所以背照式CMOS傳感器能更好的利用照射入的光線,在低照度環(huán)境下成像質(zhì)量也就更好了。

 




背照式CMOS

 

背照式CMOS英文為Back-Illuminated CMOS,縮寫(xiě)為BI CMOS;或BackSide Illumination CMOS,縮寫(xiě)為BSI CMOS。在背照式BSI結(jié)構(gòu)中,光電二極管和電路層的位置發(fā)生了調(diào)換,自上至下依次為微透鏡(Micro-lens)、彩色濾光鏡(Color Filter)、光電二極管(Photodiodes)和電路層(Wiring Layers)。


這帶來(lái)了兩個(gè)好處:


1.光電二極管可以接收到更多光線(開(kāi)口率更大),使CMOS具有更高靈敏度和信噪比,改善高ISO下的成像質(zhì)量。


2.配套電路無(wú)需再和光電二極管爭(zhēng)搶面積,更大規(guī)模的電路有助于提高速度,實(shí)現(xiàn)超高速連拍、超高清短片拍攝等功能。



 


由于光電二極管層上移、卡口率更大,BSI CMOS可以更充分地吸收大角度入射光線。在使用傳統(tǒng)CMOS的A7R上,索尼通過(guò)微透鏡優(yōu)化提升邊緣質(zhì)量(芯片位置匹配技術(shù));而在使用BSI CMOS的A7R II上,索尼就不需要再做特殊優(yōu)化——當(dāng)然,如果加上微透鏡優(yōu)化自然是極好的,但改善幅度不會(huì)有傳統(tǒng)CMOS來(lái)的明顯。


當(dāng)然,任何事物都有兩面性,背照式CMOS也不例外。由于電路層變得密度更高,電路和電路之間不可避免地會(huì)產(chǎn)生干擾。其結(jié)果就是低感光度下的信噪比可能會(huì)有所下降。




 

相比起普通的傳感器,搭載背照式傳感器的攝像頭能夠在弱光環(huán)境下,提高約30%—50%的感光能力,能夠在弱光下拍攝更高的質(zhì)量的照片。




 

 背照式CMOS的重要發(fā)展歷程

 

1990年代,背照式概念被提出,但由于生產(chǎn)加工要求很高,因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化。


2007年,OmniVision對(duì)外展示了BSI CMOS樣品。


2009年2月,索尼實(shí)現(xiàn)BSI CMOS量產(chǎn)化并注冊(cè)了Exmor R商標(biāo)。首批搭載Exmor R CMOS的產(chǎn)品包括索尼HDR-XR520、HDR-XR500攝像機(jī)(2009-2),索尼DSC-WX1、DSC-TX1便攜數(shù)碼相機(jī)(2009-9),索尼愛(ài)立信Cyber-shot S006拍照手機(jī)(2010-10)。


2011年10月,蘋(píng)果iPhone 4S的主攝像頭搭載了索尼生產(chǎn)的BSI CMOS。


2013年6月,索尼推出搭載1英寸約2020萬(wàn)像素BSI CMOS的數(shù)碼相機(jī)RX100 II。


2015年6月,索尼推出搭載搭載35mm全畫(huà)幅約4240萬(wàn)像素BSI CMOS的無(wú)反相機(jī)A7RII。


 背照式CMO的特點(diǎn) 

新型背照式CMOS傳感器得益于電子器件的制作工藝升級(jí),至少在兩個(gè)方面有提升。


第一個(gè)是在傳感器上的微透鏡性能更為提升,以致經(jīng)過(guò)微透鏡后的光,入射到感光面上的角度更接近垂直,而且微透鏡產(chǎn)生的色散,眩光等不良效果會(huì)減弱,讓最終到達(dá)傳感器感光面的光較傳統(tǒng)的好。


第二個(gè)就是在大像素下依舊具有高速的處理能力,這一點(diǎn)歸根到底是對(duì)比CCD傳感器而言的。CCD傳感器是需要將各像素點(diǎn)的電荷數(shù)據(jù)傳輸出來(lái)統(tǒng)一處理,所以在像素大的時(shí)候速度比較難提高,如果強(qiáng)行提高處理的帶寬就會(huì)造成噪點(diǎn)的增加。而CMOS傳感器在每一個(gè)像素點(diǎn)上都已經(jīng)將電荷轉(zhuǎn)化成了電壓數(shù)據(jù),在提高大像素幀率上有比較大的空間。


不過(guò)這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)并非被照式CMOS傳感器特有,是當(dāng)今新款的CMOS傳感器普遍都能做到的,這就是為什么越來(lái)越多數(shù)碼相機(jī)采用CMOS傳感器了,畢竟大像素和高速的性能會(huì)直接影響最終消費(fèi)者的選擇。

 




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