Senzori slike su potrebni u kamerama, od telefona do teleskopa, hvatajući svetlost i pretvarajući je u slike. CMOS (Front-Side Illuminated) i BSI (Backside-Illuminated) senzori rade na sličnim principima, ali se razlikuju u strukturi, utičući na hvatanje svetlosti, šum i kvalitet boja. Ovaj članak detaljno objašnjava njihove dizajne, performanse, upotrebu i budući razvoj.
CC7. Od BSI-a do naslaganih CMOS arhitektura
KSNUMKS. CMOS vs BSI senzor Pregled
Svaka kamera, od pametnog telefona u džepu do teleskopa koji istražuju udaljene galaksije, zavisi od toga koliko efikasno njen senzor slike hvata svetlost. Oba CMOS i BSI senzori prate slične principe poluprovodnika, ali njihove strukturne razlike dovode do velikih varijacija u osetljivosti na svetlost, performanse buke, i kvalitet slike. U tradicionalnim CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) senzorima, metalne žice i tranzistori sede iznad fotodioda, delimično blokirajući dolaznu svetlost i smanjujući ukupnu osetljivost. Ovaj dizajn čini CMOS senzore isplativim i lakšim za proizvodnju, ali ograničava performanse pri slabom osvetljenju. Nasuprot tome, BSI (Back-Side Illuminated) senzori okreću strukturu, pozicionirajući fotodiodu na vrhu, tako da svetlost dopire direktno do nje bez prepreka. Ovo poboljšava kvantnu efikasnost, smanjuje buku i poboljšava performanse u kompaktnim ili vrhunskim sistemima za snimanje, od DSLR fotoaparata do naučnih instrumenata.
KSNUMKS. CMOS senzorska arhitektura
CMOS senzor sa prednje strane (FSI) predstavlja raniju i konvencionalniju strukturu senzora slike koja se koristi u digitalnim fotoaparatima i pametnim telefonima. U ovoj arhitekturi, dolazna svetlost mora proći kroz više slojeva materijala pre nego što stigne do fotodiode, regiona osetljivog na svetlost odgovornog za pretvaranje fotona u električne signale.
Radni proces
Svaki piksel na ekranu funkcioniše kroz koordinirani proces koji uključuje mikroleće, filtere u boji, metalne interkonekcije, tranzistore i sloj fotodiode. Mikroleće prvo fokusiraju dolaznu svetlost kroz filtere crvene, zelene i plave boje, osiguravajući da samo određene talasne dužine dođu do svakog subpiksela. Iznad fotodiode, metalni interkonekti i tranzistori upravljaju električnom kontrolom piksela i očitavanjem signala, iako njihov položaj može delimično blokirati neke od dolaznih svetlosti. Ispod ovih slojeva leži fotodioda, koja hvata preostalu svetlost i pretvara je u električni naboj, formirajući osnovni slikovni signal piksela.
Ograničenja FSI dizajna
• Smanjena osetljivost na svetlost: Deo svetlosti se reflektuje ili apsorbuje od strane slojeva ožičenja i tranzistora pre nego što stigne do fotodiode.
• Niži faktor popunjavanja: Kako se veličina piksela smanjuje, odnos područja osetljivog na svetlost i ukupne površine piksela se smanjuje, što dovodi do više šuma.
• Slabije performanse pri slabom osvetljenju: FSI senzori se bore u slabim okruženjima u poređenju sa modernim alternativama kao što su BSI senzori.
KSNUMKS. Unutar BSI CMOS senzora
Backside-Illuminated (BSI) CMOS senzor revoluciju digitalnog snimanja rešavanjem glavnog nedostatka tradicionalnih Front-Side Illuminated (FSI) dizajna, svetlosne blokade od metalnih ožičenja i tranzistora. Preokretanjem strukture senzora, BSI omogućava dolaznoj svetlosti da direktno dođe do fotodiode, dramatično poboljšavajući efikasnost svetlosti i kvalitet slike.
BSI tehnologija Funkcija
• Silikonska pločica je razređena na samo nekoliko mikrometara kako bi se izložio fotosenzitivni sloj
• Sloj fotodiode je postavljen na gornjoj strani, direktno okrenut prema dolaznoj svetlosti
• Metalne žice i tranzistorska kola su premeštena na zadnju stranu, sprečavajući ih da ometaju svetlosne puteve
• Napredne mikroleće su precizno poravnate preko svakog piksela kako bi se osiguralo optimalno fokusiranje svetlosti
Prednosti BSI senzora
• Veća efikasnost apsorpcije svetlosti: Do 30-50% poboljšanje u odnosu na FSI senzore, što rezultira svetlijim i čistijim slikama.
• Superiorne performanse pri slabom osvetljenju: Smanjeni gubitak fotona povećava osetljivost i minimizira buku u tamnim okruženjima.
• Poboljšana tačnost boja: Sa neometanim putevima svetlosti, filteri u boji proizvode preciznije i živopisnije tonove.
• Compact Pixel Design: BSI podržava manje veličine piksela uz održavanje kvaliteta slike, idealno za senzore visoke rezolucije.
• Poboljšani dinamički opseg: Bolje hvatanje signala u svetlim i tamnim regionima scene.
Poređenje efikasnosti i osetljivosti svetlosti
| Odlika | FSI CMOS senzor | BSI senzor |
|---|---|---|
| Svetlosna staza | Svetlost prolazi kroz ožičenje → delimični gubitak | Direktno na fotodiodu → minimalnim gubitkom |
| Kvantna efikasnost (QE) | 60–70% | 90–100% |
| Performanse pri slabom osvetljenju | Umereno | Odlično |
| Reflection & Crosstalk | Visok | Nisko |
| Jasnoća slike | Prosečan | Oštar i svetao pri slabom svetlu |
KSNUMKS. Faktor smanjivanja i punjenja piksela
KSNUMKS u FSI CMOS senzorima
Kako veličina piksela pada ispod 1,4 μm, metalni interkonekti i tranzistori zauzimaju veću površinu. Faktor punjenja se smanjuje, što rezultira manjim brojem svetlosti po pikselu i povećanim šumom slike. Rezultat su tamnije slike, smanjen kontrast i slabije performanse u uslovima slabog osvetljenja.
U BSI CMOS senzorima
Fotodioda je postavljena iznad ožičenja, omogućavajući svetlosti da je direktno udari. Ova konfiguracija postiže skoro 100% faktor punjenja, što znači da skoro cela površina piksela postaje osetljiva na svetlost. BSI senzori održavaju ujednačenu osvetljenost i veći odnos signala i šuma (SNR) preko okvira slike. Oni takođe pružaju vrhunske performanse pri slabom osvetljenju, čak iu kompaktnim modulima kao što su pametni telefoni ili bespilotne kamere.
Preslušavanje, buka i difuzija zadnjeg dela
| Aspekt | Potencijalni problemi u CMOS (FSI) senzorima | Potencijalni problemi u BSI senzorima | Inženjerska rešenja | Uticaj na kvalitet slike |
|---|---|---|---|---|
| Optički preslušavanje | Svetlost se raspršuje ili blokira metalnim ožičenjem pre nego što stigne do fotodiode, uzrokujući neravnomerno osvetljenje. | Svetlost curi u susedne piksele zbog izlaganja zadnjoj strani. | Deep Trench Isolation (DTI): Stvara fizičke barijere između piksela kako bi se sprečile optičke smetnje. | Oštrije slike, bolje razdvajanje boja i smanjeno zamućenje. |
| Rekombinacija punjenja | Nosioci punjenja se gube u debelim slojevima silicijuma ili metala, smanjujući osetljivost. | Backside Rekombinacija: Nosači rekombinuju u blizini izložene površine pre prikupljanja. | Slojevi pasivizacije i površinska obrada: Smanjite nedostatke i poboljšajte naplatu naboja. | Poboljšana osetljivost i smanjen gubitak signala. |
| Blooming Efekat | Prekomerna ekspozicija u jednom pikselu uzrokuje zasićenje susednih piksela zbog difuzije prednje strane. | Prekomerno izlaganje širi naboj ispod razređenog sloja silicijuma. | Površinski doping i barijere za punjenje: Sadrže punjenje i sprečavaju prelivanje. | Smanjene bele pruge i glatkiji naglasci. |
| Električna i toplotna buka | Toplota iz tranzistora na pikselima stvara šum na putu signala. | Veća buka pucnjave zbog tankog silicijuma i gustih kola. | Lov-noise pojačala i on-chip algoritmi za smanjenje buke. | Čistije slike, poboljšane performanse pri slabom osvetljenju. |
| Ograničenje faktora punjenja | Metalni slojevi i tranzistori pokrivaju veliku površinu piksela, smanjujući osetljivost na svetlost. | Skoro eliminisana - fotodioda potpuno izložena svetlosti. | BSI struktura i optimizacija mikrosočiva. | Maksimalno hvatanje svetlosti i ujednačena osvetljenost. |
KSNUMKS. Od BSI-a do naslaganih CMOS arhitektura
Struktura naslaganog CMOS senzora
| Sloj | Funkcija | Opis |
|---|---|---|
| Gornji sloj | Pikel Arrai (BSI Dizajn) | Sadrži fotodiode osetljive na svetlost koje hvataju dolaznu svetlost, koristeći BSI strukturu kako bi se povećala osetljivost. |
| Srednji sloj | Analogni / digitalni kola | Obrađuje konverziju signala, pojačanje, i obrada slike zadatke odvojeno od niza piksela za čistije izlaze. |
| Donji sloj | Integracija memorije ili procesora | Može uključivati ugrađene DRAM ili AI procesorske jezgre za brzo baferovanje podataka i poboljšanje slike u realnom vremenu. |
Prednosti naslaganih CMOS senzora
• Ultra-brzo očitavanje: Omogućava kontinuirano snimanje velike brzine i stvarno snimanje video zapisa do 4K ili 8K rezolucije sa minimalnim izobličenjem zatvarača.
• Poboljšana obrada na čipu: Integriše logička kola koja obavljaju HDR spajanje, korekciju pokreta i smanjenje buke direktno na senzoru.
• Energetska efikasnost: Kraći putevi podataka i nezavisni domeni napajanja poboljšavaju • propusnost uz smanjenje potrošnje energije.
• Manji faktor oblika: Vertikalno slaganje omogućava kompaktan dizajn modula idealan za pametne telefone, automobilske kamere i dronove.
• AI i računarska podrška za snimanje: Neki složeni senzori uključuju namenske neuronske procesore za inteligentni autofokus, prepoznavanje scene i poboljšanje u realnom vremenu.
KSNUMKS. Dinamički opseg i performanse boja u CMOS vs BSI senzorima
BSI (Backside-Illuminated) senzori
Eliminisanjem metalnih ožičenja iznad fotodiode, BSI senzori omogućavaju fotonima da direktno dođu do područja osetljivog na svetlost. Ova struktura povećava kapacitet pune bušotine, poboljšava apsorpciju svetlosti i minimizira isječavanje. Kao rezultat toga, BSI senzori nude vrhunske HDR performanse, bolju dubinu boja i finiju gradaciju senki, što ih čini najboljim za HDR fotografiju, medicinsko snimanje i nadzor pri slabom osvetljenju.
FSI (prednja strana osvetljena) senzori
Nasuprot tome, FSI senzori zahtevaju svetlost da prođe kroz nekoliko slojeva kola pre nego što stigne do fotodiode. Ovo uzrokuje delimičnu refleksiju i rasipanje, što ograničava dinamički opseg i sposobnost mapiranja tona. Oni su skloniji prekomernom izlaganju u svetlim uslovima i često proizvode manje preciznu boju u dubokim senkama.
KSNUMKS. Primena CMOS vs BSI senzora
CMOS (FSI) senzori
• Mašinski vid
• Industrijska inspekcija
• Medicinska endoskopija
• Kamere za nadzor
BSI senzori
• Pametni telefoni
• Digitalni fotoaparati
• Automobilski ADAS
• Astronomija i naučno snimanje
• 8K video snimanje
KSNUMKS. Budući razvoj CMOS-a vs BSI senzora
• 3D-složeni dizajni kombinuju piksele, logiku i memorijske slojeve za ultra-brzo očitavanje i AI vođeno snimanje.
• Globalni zatvarači BSI senzori eliminišu izobličenje kretanja za robotiku, bespilotne letelice i automobilske sisteme.
• Organski CMOS i senzori sa kvantnim tačkama pružaju veću osetljivost, širi spektralni odziv i bogatije boje.
• AI obrada na senzoru omogućava smanjenje buke u realnom vremenu, detekciju objekata i adaptivnu kontrolu ekspozicije.
• Hibridne platforme za snimanje spajaju CMOS i BSI prednosti, poboljšavajući dinamički opseg i smanjujući potrošnju energije.
Zaključak
CMOS i BSI senzori su preoblikovali moderno snimanje, a BSI nudi veću osetljivost na svetlost, manje šuma i bolju tačnost boja. Uspon složenih CMOS i AI-integrisanih senzora dodatno poboljšava brzinu, jasnoću slike i dinamički opseg. Zajedno, ove tehnologije nastavljaju da unapređuju fotografiju, nadzor i naučno snimanje sa većom preciznošću i efikasnošću.
Često postavljana pitanja
Koji materijali se koriste u CMOS i BSI senzorima?
Oba koriste silikonske pločice. BSI senzori takođe uključuju razređene silikonske slojeve, mikroleće i metalne interkonekcije za bolju apsorpciju svetlosti.
Koji tip senzora koristi više energije?
BSI senzori troše više energije zbog svog složenog dizajna i brže obrade podataka, iako moderni dizajni poboljšavaju efikasnost.
Zašto su BSI senzori skuplji od CMOS-a?
BSI senzori zahtevaju dodatne proizvodne korake, kao što su stanjivanje vafla i precizno poravnanje slojeva, što ih čini skupljim za proizvodnju.
Kako ovi senzori rukuju toplotom?
Visoke temperature povećavaju buku u oba senzora. BSI dizajni često uključuju bolju termičku kontrolu kako bi kvalitet slike stabilan.
Mogu li CMOS i BSI senzori detektovati infracrveno svetlo?
Da. Kada su opremljeni IR-osetljivim premazima ili uklonjenim filterima, oba mogu da detektuju infracrveno, sa BSI pokazuje bolju IR osetljivost.
Koja je svrha mikrosočiva na senzorima slike?
Mikroleće vode svetlost direktno u fotodiodu svakog piksela, poboljšavajući osvetljenost i efikasnost u manjim BSI senzorima.