Kaamerates on vaja pildiandureid, alates telefonidest kuni teleskoopideni, mis püüavad valgust ja muudavad selle piltideks. CMOS (Front-Side Illuminated) ja BSI (Backside-Illuminated) andurid töötavad sarnastel põhimõtetel, kuid erinevad struktuuri poolest, mõjutades valguse püüdmist, müra ja värvikvaliteeti. See artikkel selgitab üksikasjalikult nende disaini, jõudlust, kasutusalasid ja tulevasi arenguid.
CC7. BSI-st virnastatud CMOS-arhitektuurideni
CMOS vs BSI anduri ülevaade
Iga kaamera, alates taskus olevast nutitelefonist kuni kaugeid galaktikaid uurivate teleskoopideni, sõltub sellest, kui tõhusalt selle pildisensor valgust püüab. Nii CMOS- kui ka BSI-andurid järgivad sarnaseid pooljuhtpõhimõtteid, kuid nende struktuurilised erinevused põhjustavad suuri erinevusi valgustundlikkuses, mürajõudluses ja pildikvaliteedis. Traditsioonilistes CMOS-andurites (Front-Side Illuminated, FSI) asuvad metalljuhtmed ja transistorid fotodioodide kohal, blokeerides osaliselt sissetuleva valguse ja vähendades üldist tundlikkust. See disain muudab CMOS-andurid kulutõhusaks ja hõlpsamini toodetavaks, kuid piirab jõudlust vähese valguse korral. Seevastu BSI (Back-Side Illuminated) andurid pööravad konstruktsiooni ümber, asetades fotodioodi peal nii, et valgus jõuaks sellesse otse ilma takistusteta. See parandab kvantefektiivsust, vähendab müra ja suurendab jõudlust kompaktsetes või tipptasemel pildisüsteemides, alates DSLR-kaameratest kuni teaduslike instrumentideni.
CMOS-anduri arhitektuur
Front-Side Illuminated (FSI) CMOS-sensor esindab varasemat ja tavapärasemat pildianduri struktuuri, mida kasutatakse digikaamerates ja nutitelefonides. Selles arhitektuuris peab sissetulev valgus läbima mitu materjalikihti, enne kui jõuab fotodioodi, valgustundlikku piirkonda, mis vastutab footonite elektrilisteks signaalideks muundamise eest.
Tööprotsess
Iga ekraani piksel töötab koordineeritud protsessi kaudu, mis hõlmab mikroläätsesid, värvifiltreid, metallist ühendusi, transistoreid ja fotodioodikihti. Mikroläätsed fokuseerivad esmalt sissetuleva valguse läbi punase, rohelise ja sinise värvifiltri, tagades, et iga alampikslini jõuavad ainult teatud lainepikkused. Fotodioodi kohal juhivad piksli elektrilist juhtimist ja signaali lugemist metallist ühendused ja transistorid, kuigi nende asukoht võib osaliselt blokeerida osa sissetulevast valgusest. Nende kihtide all asub fotodiood, mis püüab kinni ülejäänud valguse ja muudab selle elektrilaenguks, moodustades piksli põhilise pildisignaali.
FSI disaini piirangud
• Vähendatud valgustundlikkus: osa valgusest peegeldub või neeldub juhtmestiku ja transistori kihtide poolt enne, kui see jõuab fotodioodini.
• Madalam täitetegur: pikslite suuruse kahanedes väheneb valgustundliku ala ja pikslite kogupindala suhe, mis põhjustab rohkem müra.
• Nõrgem jõudlus hämaras: FSI andurid näevad hämaras keskkonnas vaeva võrreldes tänapäevaste alternatiividega, nagu BSI-andurid.
BSI CMOS-anduri sees
Tagaküljega valgustatud (BSI) CMOS-andur muutis digitaalse pildistamise revolutsiooniliseks, käsitledes traditsiooniliste esikülje valgustatud (FSI) konstruktsioonide peamisi puudusi, metalljuhtmete ja transistoride valguse ummistusi. Anduri struktuuri ümber pöörates võimaldab BSI sissetuleval valgusel jõuda otse fotodioodini, parandades oluliselt valguse efektiivsust ja pildikvaliteeti.
BSI tehnoloogia funktsioon
• Ränivahvel on lahjendatud vaid mõne mikromeetrini, et paljastada valgustundlik kiht
• Fotodioodikiht on paigutatud ülemisele küljele, otse sissetuleva valguse poole
• Metalljuhtmed ja transistorahelad on paigutatud tagaküljele, vältides nende takistamist valgusteede takistamisel
• Täiustatud mikroläätsed on iga piksli kohal täpselt joondatud, et tagada optimaalne valguse teravustamine
BSI andurite eelised
• Suurem valguse neeldumise efektiivsus: kuni 30–50% parem võrreldes FSI anduritega, mille tulemuseks on heledamad ja puhtamad pildid.
• Suurepärane jõudlus vähese valguse korral: vähendatud footonikadu suurendab tundlikkust ja minimeerib müra pimedas keskkonnas.
• Täiustatud värvitäpsus: takistusteta valgusteede korral toodavad värvifiltrid täpsemaid ja erksamaid toone.
• Kompaktne pikslidisain: BSI toetab väiksemaid pikslisuurusi, säilitades samal ajal pildikvaliteedi, mis sobib ideaalselt kõrge eraldusvõimega andurite jaoks.
• Täiustatud dünaamiline ulatus: parem signaali hõivamine nii stseeni heledates kui ka hämarates piirkondades.
Valguse efektiivsuse ja tundlikkuse võrdlus
| tunnusjoon | FSI CMOS-andur | BSI andur |
|---|---|---|
| Valguse tee | Valgus läbib juhtmeid → osalise kadu | Otse fotodioodile → minimaalne kadu |
| Kvanttõhusus (QE) | 60–70% | 90–100% |
| Jõudlus nõrgas valguses | Mõõdukas | Suurepärane |
| Peegeldus ja läbirääkimised | Kõrge | Madal |
| Pildi selgus | Keskmine | Terav ja hele hämaras |
Pikslite kokkutõmbumine ja täitetegur
FSI CMOS-andurites
Kui piksli suurus langeb alla 1,4 μm, hõivavad metallist ühendused ja transistorid suurema pinna. Täitetegur väheneb, mille tulemuseks on vähem valgust piksli kohta ja suurem pildimüra. Tulemuseks on tumedamad pildid, väiksem kontrastsus ja nõrgem jõudlus vähese valgusega tingimustes.
BSI CMOS-andurites
Fotodiood on paigutatud juhtmestiku kohale, võimaldades valgusel seda otse tabada. See konfiguratsioon saavutab peaaegu 100% täiteteguri, mis tähendab, et peaaegu kogu piksliala muutub valgustundlikuks. BSI-andurid säilitavad ühtlase heleduse ja suurema signaali-müra suhte (SNR) kogu pildikaadris. Need pakuvad ka suurepärast jõudlust nõrgas valguses isegi kompaktsetes moodulites, nagu nutitelefonid või droonikaamerad.
Läbirääkimis, müra ja tagakülje difusioon
| Aspekt | Võimalikud probleemid CMOS (FSI) andurites | Võimalikud probleemid BSI-andurites | Insenertehnilised lahendused | Mõju pildikvaliteedile |
|---|---|---|---|---|
| Optiline ülekuulamine | Valgus hajub või blokeeritakse metalljuhtmetega enne fotodioodini jõudmist, põhjustades ebaühtlast valgustust. | Valgus lekib tagumise särituse tõttu naaberpikslitesse. | Sügav kaevikuisolatsioon (DTI): loob pikslite vahele füüsilised tõkked, et vältida optilisi häireid. | Teravamad pildid, parem värvilahutus ja väiksem hägusus. |
| Laengu rekombinatsioon | Laengukandjad lähevad paksudesse räni- või metallikihtidesse kaduma, vähendades tundlikkust. | Tagakülje rekombinatsioon: kandjad rekombineeruvad enne kogumist avatud pinna lähedal. | Passiveerimiskihid ja pinnatöötlus: Vähendage defekte ja parandage laengu kogumist. | Suurem tundlikkus ja väiksem signaalikadu. |
| Õitsev efekt | Ühe piksli ülesäritus põhjustab külgnevate pikslite küllastumist esikülje difusiooni tõttu. | Ülevalgustamine levib lahjendatud ränikihi alla. | Pinna dopingu- ja laengutõkked: Hoiavad laengut ja takistavad ületäitumist. | Vähendatud valged triibud ja sujuvamad esiletõstmised. |
| Elektri- ja termiline müra | Pikslitransistoride soojus tekitab signaaliteel müra. | Kõrgem laskumüra tänu õhukesele ränile ja tihedale vooluringile. | Madala müratasemega võimendid ja kiibilised mürasummutusalgoritmid. | Puhtamad pildid, parem jõudlus nõrgas valguses. |
| Täiteteguri piirang | Metallikihid ja transistorid katavad suure piksliala, vähendades valgustundlikkust. | Peaaegu kõrvaldatud - fotodiood, mis on täielikult valguse käes. | BSI struktuur ja mikroläätsede optimeerimine. | Maksimaalne valguse püüdmine ja ühtlane heledus. |
BSI-st virnastatud CMOS-arhitektuurideni
Virnastatud CMOS-anduri struktuur
| Kiht | Funktsioon | Kirjeldus |
|---|---|---|
| Pealmine kiht | Pikslimassiiv (BSI-disain) | Sisaldab valgustundlikke fotodioode, mis püüavad kinni sissetuleva valguse, kasutades tundlikkuse maksimeerimiseks BSI-struktuuri. |
| Keskmine kiht | Analoog-/digitaallülitused | Käsitleb signaali teisendamise, võimendamise ja pilditöötluse ülesandeid pikslimassiivist eraldi, et väljundid oleksid puhtamad. |
| Alumine kiht | Mälu või protsessori integreerimine | Võib sisaldada manustatud DRAM- või AI-töötlussüdamikke andmete kiireks puhverdamiseks ja reaalajas pildi täiustamiseks. |
Virnastatud CMOS-andurite eelised
• Ülikiire lugemine: võimaldab kiiret sarivõtet ja tegelikku video jäädvustamist kuni 4K või 8K eraldusvõimega minimaalse rullkatiku moonutusega.
• Täiustatud kiibil töötlemine: integreerib loogikaahelad, mis teostavad HDR-i ühendamist, liikumise korrigeerimist ja müra vähendamist otse anduril.
• Energiatõhusus: lühemad andmeteed ja sõltumatud toitedomeenid parandavad läbilaskevõimet, vähendades samal ajal energiatarbimist.
• Väiksem vormitegur: vertikaalne virnastamine võimaldab kompaktset mooduli disaini, mis sobib ideaalselt nutitelefonide, autokaamerate ja droonide jaoks.
• AI ja arvutusliku pildistamise tugi: mõned virnastatud andurid sisaldavad spetsiaalseid närviprotsessoreid intelligentseks autofookuseks, stseenituvastuseks ja reaalajas täiustamiseks.
Dünaamiline ulatus ja värvijõudlus CMOS- ja BSI-andurites
BSI (tagaküljel valgustatud) andurid
Kõrvaldades fotodioodi kohal olevad metalljuhtmed, võimaldavad BSI-andurid footonitel jõuda otse valgustundlikku piirkonda. See struktuur suurendab kogu kaevu läbilaskevõimet, parandades valguse neeldumist ja minimeerides esiletõstetud kärpimist. Selle tulemusena pakuvad BSI-andurid suurepärast HDR-jõudlust, paremat värvisügavust ja peenemaid varjugradatsioone, muutes need parimaks HDR-fotograafiaks, meditsiiniliseks pildistamiseks ja hämaras jälgimiseks.
FSI (esiküljel valgustatud) andurid
Seevastu FSI-andurid vajavad, et valgus läbiks enne fotodioodini jõudmist mitu vooluringikihti. See põhjustab osalist peegeldumist ja hajumist, mis piirab dünaamilise ulatuse ja toonide kaardistamise võimet. Need on heledates tingimustes altid ülevalgustamisele ja toodavad sügavates varjudes sageli vähem täpseid värve.
CMOS vs BSI andurite rakendused
CMOS (FSI) andurid
• Masinnägemine
• Tööstuslik kontroll
• Meditsiiniline endoskoopia
• Valvekaamerad
BSI andurid
• Nutitelefonid
•Digitaalkaamerad
• Autotööstuse ADAS
•Astronoomia ja teaduslik pildistamine
• 8K video salvestamine
CMOS- ja BSI-andurite tulevased arengud
• 3D-virnastatud kujundused ühendavad piksli-, loogika- ja mälukihid ülikiireks lugemiseks ja AI-põhiseks pildistamiseks.
• Globaalse katikuga BSI-andurid kõrvaldavad robootika, droonide ja autosüsteemide liikumismoonutused.
• Orgaanilised CMOS- ja kvantpunktiandurid tagavad suurema tundlikkuse, laiema spektraalvastuse ja rikkalikumad värvid.
• Sensoril olev tehisintellekti töötlemine võimaldab reaalajas müra vähendamist, objektide tuvastamist ja adaptiivset särituse juhtimist.
• Hübriidsed pildiplatvormid ühendavad CMOS-i ja BSI eelised, parandades dünaamilist ulatust ja vähendades energiatarbimist.
Järeldus
CMOS- ja BSI-andurid on kaasaegse pildistamise ümber kujundanud, kusjuures BSI pakub suuremat valgustundlikkust, vähem müra ja paremat värvitäpsust. Virnastatud CMOS-i ja tehisintellektiga integreeritud andurite kasv suurendab veelgi kiirust, pildi selgust ja dünaamilist ulatust. Üheskoos edendavad need tehnoloogiad jätkuvalt fotograafiat, jälgimist ja teaduslikku pildistamist suurema täpsuse ja tõhususega.
Korduma kippuvad küsimused
Milliseid materjale kasutatakse CMOS- ja BSI-andurites?
Mõlemad kasutavad ränivahvleid. BSI-andurid sisaldavad ka lahjendatud ränikihte, mikroläätsi ja metallist ühendusi, mis tagavad parema valguse neeldumise.
Milline anduri tüüp kasutab rohkem energiat?
BSI-andurid tarbivad oma keeruka disaini ja kiirema andmetöötluse tõttu rohkem energiat, kuigi kaasaegsed disainid parandavad tõhusust.
Miks on BSI-andurid kallimad kui CMOS?
BSI-andurid nõuavad täiendavaid tootmisetappe, nagu vahvlite hõrenemine ja täpne kihtide joondamine, mis muudab nende tootmise kallimaks.
Kuidas need andurid soojusega toime tulevad?
Kõrge temperatuur suurendab mõlema anduri müra. BSI kujundused sisaldavad sageli paremat soojusjuhtimist, et hoida pildikvaliteet stabiilsena.
Kas CMOS- ja BSI-andurid suudavad infrapunavalgust tuvastada?
Jah. Kui need on varustatud IR-tundlike katete või eemaldatud filtritega, suudavad mõlemad tuvastada infrapuna, kusjuures BSI näitab paremat IR-tundlikkust.
Mis on pildiandurite mikroläätsede eesmärk?
Mikroläätsed juhivad valguse otse iga piksli fotodioodi, parandades väiksemate BSI-andurite heledust ja tõhusust.