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        背照式CMOS ?

        • 來源:光虎



        提到背照式CMOS,相信很多朋友首先會聯想到智能手機等小型影像記錄設備。現在主流的手機的攝像頭均采用了背照式和堆棧式兩種類型的傳感器。



        想要弄清楚背照式中的含義,就必須要先了解傳統CMOS——前照式(FrontSide Illumination,縮寫為FSI)的結構。


        前照式CMOS


        CMOS是一個多層結構。在傳統FSI結構中,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)。



         

        不難發現: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搶感光元件上有限的空間。


        電路占據的面積大,光電二極管占據的面積就小,CMOS實際收集的光線就少。對于智能手機、便攜數碼相機等小型影像記錄設備來說,這就意味著成像質量難以提升,最集中表現就是高ISO拍攝時的噪點大、雜訊多。


        那么,能否減少電路面積呢?首先,現代CMOS普遍采用集成模數轉換電路(ADC)的做法,1列光電二極管對應1個ADC和1套放大電路。想要提升像素數量、提高讀取速度就必須增加配套電路。




         

        傳統的CMOS “前照式”結構,當光線射入像素,經過了片上透鏡和彩色濾光片后,先通過金屬排線層,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,而且還會反光。所以,在金屬排線這層光線就會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來的時候的70%或更少;而且這反射還有可能串擾旁邊的像素,導致顏色失真。(目前中低檔的CMOS排線層所用金屬是比較廉價的鋁(Al),鋁對整個可見光波段(380~780nm)基本保持90%左右的反射率。


        這樣一來,“背照式”CMOS就應運而出了,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,在低照度環境下成像質量也就更好了。

         




        背照式CMOS

         

        背照式CMOS英文為Back-Illuminated CMOS,縮寫為BI CMOS;或BackSide Illumination CMOS,縮寫為BSI CMOS。在背照式BSI結構中,光電二極管和電路層的位置發生了調換,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)。


        這帶來了兩個好處:


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


        2.配套電路無需再和光電二極管爭搶面積,更大規模的電路有助于提高速度,實現超高速連拍、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CMOS的A7R上,索尼通過微透鏡優化提升邊緣質量(芯片位置匹配技術);而在使用BSI CMOS的A7R II上,索尼就不需要再做特殊優化——當然,如果加上微透鏡優化自然是極好的,但改善幅度不會有傳統CMOS來的明顯。


        當然,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產生干擾。其結果就是低感光度下的信噪比可能會有所下降。




         

        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境下,提高約30%—50%的感光能力,能夠在弱光下拍攝更高的質量的照片。




         

         背照式CMOS的重要發展歷程

         

        1990年代,背照式概念被提出,但由于生產加工要求很高,因此無法實現量產化。


        2007年,OmniVision對外展示了BSI CMOS樣品。


        2009年2月,索尼實現BSI CMOS量產化并注冊了Exmor R商標。首批搭載Exmor R CMOS的產品包括索尼HDR-XR520、HDR-XR500攝像機(2009-2),索尼DSC-WX1、DSC-TX1便攜數碼相機(2009-9),索尼愛立信Cyber-shot S006拍照手機(2010-10)。


        2011年10月,蘋果iPhone 4S的主攝像頭搭載了索尼生產的BSI CMOS。


        2013年6月,索尼推出搭載1英寸約2020萬像素BSI CMOS的數碼相機RX100 II。


        2015年6月,索尼推出搭載搭載35mm全畫幅約4240萬像素BSI CMOS的無反相機A7RII。


         背照式CMO的特點 

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


        第一個是在傳感器上的微透鏡性能更為提升,以致經過微透鏡后的光,入射到感光面上的角度更接近垂直,而且微透鏡產生的色散,眩光等不良效果會減弱,讓最終到達傳感器感光面的光較傳統的好。


        第二個就是在大像素下依舊具有高速的處理能力,這一點歸根到底是對比CCD傳感器而言的。CCD傳感器是需要將各像素點的電荷數據傳輸出來統一處理,所以在像素大的時候速度比較難提高,如果強行提高處理的帶寬就會造成噪點的增加。而CMOS傳感器在每一個像素點上都已經將電荷轉化成了電壓數據,在提高大像素幀率上有比較大的空間。


        不過這兩個優點并非被照式CMOS傳感器特有,是當今新款的CMOS傳感器普遍都能做到的,這就是為什么越來越多數碼相機采用CMOS傳感器了,畢竟大像素和高速的性能會直接影響最終消費者的選擇。

         




        【來源:網絡】


        http://www.realdoll-shop24.com   光虎光電科技(天津)有限公司

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