Obrazové snímače jsou vyžadovány ve fotoaparátech, od telefonů po dalekohledy, zachycující světlo a převádějící ho na obrázky. Snímače CMOS (Front-Side Illuminated) a BSI (Backside-Illuminated) fungují na podobných principech, ale liší se strukturou, která ovlivňuje zachycení světla, šum a kvalitu barev. Tento článek podrobně vysvětluje jejich návrhy, výkon, použití a budoucí vývoj.
Bod 3. Uvnitř snímače BSI CMOS
Bod 4. Srovnání světelné účinnosti a citlivosti
Bod 5. Zmenšení pixelů a faktor výplně
CC7. Od BSI k architektuře CMOS
Kapitola 10. Budoucí vývoj v oblasti CMOS vs BSI senzorů
Kapitola 11. Závěr
Č. 12. Často kladené dotazy
Přehled snímače CMOS vs BSI
Každý fotoaparát, od smartphonu v kapse až po dalekohledy zkoumající vzdálené galaxie, závisí na tom, jak efektivně jeho obrazový snímač zachycuje světlo. Snímače CMOS i BSI se řídí podobnými polovodičovými principy, ale jejich strukturální rozdíly vedou k velkým rozdílům v citlivosti na světlo, šumu a kvalitě obrazu. U tradičních snímačů CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) jsou kovové kabely a tranzistory umístěny nad fotodiodami, částečně blokují příchozí světlo a snižují celkovou citlivost. Díky této konstrukci jsou snímače CMOS nákladově efektivní a snadněji se vyrábějí, ale omezuje výkon při slabém osvětlení. Naproti tomu senzory BSI (Back-Side Illuminated) převracejí strukturu a umisťují fotodiodu nahoře tak, aby na ni světlo dopadalo přímo bez překážek. To zlepšuje kvantovou účinnost, snižuje šum a zvyšuje výkon v kompaktních nebo špičkových zobrazovacích systémech, od digitálních zrcadlovek po vědecké přístroje.
Architektura snímače CMOS
Snímač CMOS s osvětlením přední strany (FSI) představuje dřívější a konvenčnější strukturu obrazového snímače používanou v digitálních fotoaparátech a chytrých telefonech. V této architektuře musí přicházející světlo projít několika vrstvami materiálů, než dosáhne fotodiody, což je oblast citlivá na světlo, která je zodpovědná za přeměnu fotonů na elektrické signály.
Pracovní proces
Každý pixel na displeji funguje prostřednictvím koordinovaného procesu zahrnujícího mikročočky, barevné filtry, kovová propojení, tranzistory a vrstvu fotodiody. Mikročočky nejprve soustředí dopadající světlo přes červený, zelený a modrý barevný filtr, čímž zajistí, že ke každému subpixelu dopadnou pouze určité vlnové délky. Nad fotodiodou řídí kovové propojky a tranzistory elektrické ovládání pixelu a čtení signálu, i když jejich poloha může částečně blokovat část přicházejícího světla. Pod těmito vrstvami leží fotodioda, která zachycuje zbývající světlo a přeměňuje ho na elektrický náboj, který tvoří základní obrazový signál pixelu.
Omezení návrhu FSI
• Snížená citlivost na světlo: Část světla se odráží nebo absorbuje vrstvami vodičů a tranzistorů, než se dostane k fotodiodě.
• Nižší faktor výplně: Se zmenšováním velikosti pixelů se snižuje poměr oblasti citlivé na světlo k celkové ploše obrazových bodů, což vede k většímu šumu.
• Slabší výkon při slabém osvětlení: Senzory FSI mají problémy v tmavém prostředí ve srovnání s moderními alternativami, jako jsou senzory BSI.
Uvnitř snímače BSI CMOS
Snímač CMOS s osvětlením zadní strany (BSI) způsobil revoluci v digitálním zobrazování tím, že vyřešil hlavní nevýhodu tradičních konstrukcí s osvětlením na zadní straně (FSI), blokování světla kovovými kabely a tranzistory. Obrácením struktury senzoru BSI umožňuje, aby příchozí světlo dosáhlo přímo fotodiody, což dramaticky zlepšuje světelnou účinnost a kvalitu obrazu.
Funkce technologie BSI
• Křemíkový wafer se zředí na pouhých několik mikrometrů, aby se odhalila fotocitlivá vrstva
• Vrstva fotodiody je umístěna na horní straně, přímo obrácená k dopadajícímu světlu
• Kovové rozvody a tranzistorové obvody jsou přemístěny na zadní stranu, čímž se zabrání tomu, aby překážely světelným cestám
• Pokročilé mikročočky jsou přesně zarovnány nad každým pixelem, aby bylo zajištěno optimální zaostření světla
Výhody senzorů BSI
• Vyšší účinnost absorpce světla: Až o 30–50 % lepší ve srovnání se snímači FSI, což vede k jasnějšímu a čistšímu obrazu.
• Vynikající výkon při slabém osvětlení: Snížená ztráta fotonů zvyšuje citlivost a minimalizuje šum v tmavém prostředí.
• Vylepšená přesnost barev: Díky nerušeným cestám světla vytvářejí barevné filtry přesnější a živější tóny.
• Kompaktní design pixelů: BSI podporuje menší velikosti pixelů při zachování kvality obrazu, což je ideální pro snímače s vysokým rozlišením.
• Vylepšený dynamický rozsah: Lepší zachycení signálu v jasných i tmavých oblastech scény.
Srovnání světelné účinnosti a citlivosti
| Funkce | Snímač FSI CMOS | Senzor BSI |
|---|---|---|
| Stezka světla | Světlo prochází kabeláží → částečnou ztrátou | Přímo na fotodiodu → minimální ztráty |
| Kvantová účinnost (QE) | 60–70 % | 90–100 % |
| Výkon při slabém osvětlení | Střední | Vynikající |
| Reflexe & Přeslechy | Vysoká | Nízký |
| Čistota obrazu | Průměrný | Ostrý a jasný při slabém osvětlení |
Faktor zmenšení a výplně pixelů
V senzorech FSI CMOS
Jakmile velikost pixelu klesne pod 1,4 μm, kovová propojení a tranzistory zabírají větší plochu. Faktor výplně se snižuje, což má za následek zachycení menšího množství světla na obrazový bod a zvýšení šumu obrazu. Výsledkem je tmavší obraz, snížený kontrast a slabší výkon za špatných světelných podmínek.
V senzorech BSI CMOS
Fotodioda je umístěna nad kabeláží, což umožňuje, aby na ni světlo dopadalo přímo. Tato konfigurace dosahuje téměř 100% faktoru plnění, což znamená, že téměř celá oblast pixelů je citlivá na světlo. Snímače BSI udržují jednotný jas a vyšší odstup signálu od šumu (SNR) v celém snímku obrazu. Poskytují také vynikající výkon při slabém osvětlení, a to i v kompaktních modulech, jako jsou kamery smartphonů nebo dronů.
Přeslechy, šum a zadní difúze
| Aspekt | Potenciální problémy se snímači CMOS (FSI) | Potenciální problémy v senzorech BSI | Technická řešení | Dopad na kvalitu obrazu |
|---|---|---|---|---|
| Optické přeslechy | Světlo je před dosažením fotodiody rozptýleno nebo blokováno kovovým vedením, což způsobuje nerovnoměrné osvětlení. | Světlo proniká do sousedních pixelů v důsledku expozice na zadní straně. | Deep Trench Isolation (DTI): Vytváří fyzické bariéry mezi pixely, aby se zabránilo optickému rušení. | Ostřejší obrazy, lepší separace barev a menší rozmazání. |
| Rekombinace náboje | Nosiče náboje se ztrácejí v silných vrstvách křemíku nebo kovu, což snižuje citlivost. | Rekombinace zadní strany: Nosiče se před sběrem rekombinují v blízkosti exponovaného povrchu. | Pasivační vrstvy a povrchová úprava: Snižují vady a zlepšují sběr nábojů. | Zvýšená citlivost a snížená ztráta signálu. |
| Efekt rozkvětu | Přeexponování v jednom obrazovém bodu způsobí, že sousední obrazové body budou sytější v důsledku difúze na přední straně. | Přeexponované spready se nabíjejí pod ztenčenou křemíkovou vrstvou. | Povrchové dopingové a nabíjecí bariéry: Zadržují náboj a zabraňují přetečení. | Redukované bílé pruhy a hladší světla. |
| Elektrický a tepelný šum | Teplo z tranzistorů on-pixel vytváří šum v signálové cestě. | Vyšší šum při střelbě díky tenkému křemíku a hustým obvodům. | Nízkošumové zesilovače a algoritmy redukce šumu na čipu. | Čistší obrázky, lepší výkon při slabém osvětlení. |
| Omezení faktoru plnění | Kovové vrstvy a tranzistory pokrývají velkou plochu obrazových bodů, čímž snižují citlivost na světlo. | Téměř eliminováno - fotodioda plně vystavena světlu. | Optimalizace struktury BSI a mikročoček. | Maximální zachycení světla a rovnoměrný jas. |
Od BSI k skládaným CMOS architekturám
Struktura skládaného CMOS snímače
| Vrstva | Funkce | Popis |
|---|---|---|
| Horní vrstva | Pole pixelů (návrh BSI) | Obsahuje fotodiody citlivé na světlo, které zachycují příchozí světlo pomocí struktury BSI pro maximalizaci citlivosti. |
| Střední vrstva | Analogové/digitální obvody | Zpracovává úlohy konverze, zesílení a zpracování signálu odděleně od pole pixelů pro čistší výstupy. |
| Spodní vrstva | Integrace paměti nebo procesoru | Může obsahovat vestavěná jádra pro zpracování DRAM nebo AI pro rychlé ukládání dat do vyrovnávací paměti a vylepšování obrazu v reálném čase. |
Výhody skládaných CMOS senzorů
• Ultra rychlé čtení: Umožňuje vysokorychlostní sériové snímání a skutečné snímání videa až do rozlišení 4K nebo 8K s minimálním zkreslením pohybující se závěrky.
• Vylepšené zpracování na čipu: Integruje logické obvody, které provádějí slučování HDR, korekci pohybu a redukci šumu přímo na snímači.
• Energetická účinnost: Kratší datové cesty a nezávislé napájecí domény zlepšují propustnost a zároveň snižují spotřebu energie.
• Menší provedení: Vertikální stohování umožňuje kompaktní design modulu, který je ideální pro smartphony, automobilové kamery a drony.
• Podpora umělé inteligence a výpočetního zobrazování: Některé vrstvené senzory obsahují vyhrazené neuronové procesory pro inteligentní automatické ostření, rozpoznávání scén a vylepšení v reálném čase.
Dynamický rozsah a barevný výkon u snímačů CMOS vs BSI
Senzory BSI (osvětlené zezadu)
Odstraněním kovových kabelů nad fotodiodou umožňují senzory BSI fotonům dosáhnout přímo oblasti citlivé na světlo. Tato struktura zvyšuje kapacitu plných jamek, zlepšuje absorpci světla a minimalizuje ořezávání světel. Výsledkem je, že snímače BSI nabízejí vynikající výkon HDR, lepší barevnou hloubku a jemnější gradaci stínů, takže jsou nejlepší pro HDR fotografii, lékařské zobrazování a dohled při slabém osvětlení.
Senzory FSI (podsvícené na přední straně)
Naproti tomu senzory FSI vyžadují, aby světlo prošlo několika vrstvami obvodů, než se dostane k fotodiodě. To způsobuje částečný odraz a rozptyl, což omezuje dynamický rozsah a schopnost mapování tónů. Jsou náchylnější k přeexponování za jasných podmínek a často produkují méně přesné barvy v hlubokých stínech.
Aplikace CMOS vs BSI senzorů
CMOS (FSI) senzory
• Strojové vidění
• Průmyslová inspekce
• Lékařská endoskopie
• Sledovací kamery
Senzory BSI
• Chytré telefony
• Digitální fotoaparáty
• Automobilové ADAS
•Astronomie a vědecké zobrazování
• Nahrávání 8K videa
Budoucí vývoj v oblasti CMOS vs BSI senzorů
• 3D vrstvené návrhy kombinují pixelové, logické a paměťové vrstvy pro ultra rychlé čtení a zobrazování řízené umělou inteligencí.
• Senzory BSI s globální závěrkou eliminují zkreslení pohybu pro robotiku, drony a automobilové systémy.
• Organické snímače CMOS a kvantové tečky poskytují vyšší citlivost, širší spektrální odezvu a bohatší barvy.
• Zpracování umělé inteligence na senzoru umožňuje redukci šumu v reálném čase, detekci objektů a adaptivní řízení expozice.
• Hybridní zobrazovací platformy spojují výhody CMOS a BSI, zlepšují dynamický rozsah a snižují spotřebu energie.
Závěr
Snímače CMOS a BSI přetvořily moderní zobrazování, přičemž BSI nabízí vyšší citlivost na světlo, méně šumu a lepší přesnost barev. Vzestup vrstvených snímačů CMOS a integrovaných do umělé inteligence dále zvyšuje rychlost, čistotu obrazu a dynamický rozsah. Společně tyto technologie pokračují v rozvoji fotografie, sledování a vědeckého zobrazování s větší přesností a efektivitou.
Často kladené dotazy
Jaké materiály se používají v senzorech CMOS a BSI?
Oba používají křemíkové destičky. Senzory BSI také obsahují ztenčené křemíkové vrstvy, mikročočky a kovová propojení pro lepší absorpci světla.
Který typ senzoru spotřebovává více energie?
Senzory BSI spotřebovávají více energie díky své složité konstrukci a rychlejšímu zpracování dat, i když moderní konstrukce zvyšují účinnost.
Proč jsou snímače BSI dražší než CMOS?
Senzory BSI vyžadují další výrobní kroky, jako je ztenčení waferů a přesné vyrovnání vrstev, což prodražuje jejich výrobu.
Jak tyto senzory zacházejí s teplem?
Vysoké teploty zvyšují šum v obou senzorech. Návrhy BSI často obsahují lepší tepelnou regulaci pro udržení stabilní kvality obrazu.
Mohou senzory CMOS a BSI detekovat infračervené světlo?
Ano. Pokud jsou oba vybaveny odstraněnými povlaky citlivými na infračervené záření nebo filtry, mohou detekovat infračervené záření, přičemž BSI vykazuje lepší infračervenou citlivost.
K čemu slouží mikročočky na obrazových snímačích?
Mikročočky vedou světlo přímo do fotodiody každého pixelu, čímž zlepšují jas a účinnost u menších snímačů BSI.