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背照式CMOS图像传感器的重要发展历程及特点

发布时间:2021-01-29 10:06:29 所属栏目:物联网 阅读:

提到背照式CMOS,相信很多朋友首先会联想到智能手机等小型影像记录设备。现在主流的手机的摄像头均采用了背照式和堆栈式两种类型的传感器。

 

想要弄清楚背照式中“背”的含义,就必须要先了解传统CMOS——前照式(FrontSide Illumination,缩写为FSI)的结构。

前照式CMOS

CMOS是一个多层结构。在传统FSI结构中,自上至下依次为微透镜(Micro-lens)、彩色滤光镜(Color Filter)、电路层(Wiring Layers)和光电二极管(Photodiodes)。

 

不难发现:CMOS总面积 ≈ 光电二极管有效面积 + 电路层有效面积,光电二极管和配套电路需要争抢感光元件上有限的空间。

电路占据的面积大,光电二极管占据的面积就小,CMOS实际收集的光线就少。对于智能手机、便携数码相机等小型影像记录设备来说,这就意味着成像质量难以提升,最集中表现就是高ISO拍摄时的噪点大、杂讯多。

那么,能否减少电路面积呢?首先,现代CMOS普遍采用集成模数转换电路(ADC)的做法,1列光电二极管对应1个ADC和1套放大电路。想要提升像素数量、提高读取速度就必须增加配套电路。

传统的CMOS “前照式”结构,当光线射入像素,经过了片上透镜和彩色滤光片后,先通过金属排线层,最后光线才被光电二极管接收。

大家都知道金属是不透光的,而且还会反光。所以,在金属排线这层光线就会被部分阻挡和反射掉,光电二极管吸收的光线能就只有刚进来的时候的70%或更少;而且这反射还有可能串扰旁边的像素,导致颜色失真。(目前中低档的CMOS排线层所用金属是比较廉价的铝(Al),铝对整个可见光波段(380~780nm)基本保持90%左右的反射率。)

这样一来,“背照式”CMOS就应运而出了,其金属排线层和光电二极管的位置和“前照式”正好颠倒,光线几乎没有阻挡和干扰地就下到光电二极管,光线利用率极高,所以背照式CMOS传感器能更好的利用照射入的光线,在低照度环境下成像质量也就更好了。

背照式CMOS

背照式CMOS英文为Back-Illuminated CMOS,缩写为BI CMOS;或BackSide Illumination CMOS,缩写为BSI CMOS。在背照式BSI结构中,光电二极管和电路层的位置发生了调换,自上至下依次为微透镜(Micro-lens)、彩色滤光镜(Color Filter)、光电二极管(Photodiodes)和电路层(Wiring Layers)。

这带来了两个好处:

1.光电二极管可以接收到更多光线(开口率更大),使CMOS具有更高灵敏度和信噪比,改善高ISO下的成像质量。

2.配套电路无需再和光电二极管争抢面积,更大规模的电路有助于提高速度,实现超高速连拍、超高清短片拍摄等功能。

 

由于光电二极管层上移、卡口率更大,BSI CMOS可以更充分地吸收大角度入射光线。在使用传统CMOS的A7R上,索尼通过微透镜优化提升边缘质量(芯片位置匹配技术);而在使用BSI CMOS的A7R II上,索尼就不需要再做特殊优化——当然,如果加上微透镜优化自然是极好的,但改善幅度不会有传统CMOS来的明显。

当然,任何事物都有两面性,背照式CMOS也不例外。由于电路层变得密度更高,电路和电路之间不可避免地会产生干扰。其结果就是低感光度下的信噪比可能会有所下降。

相比起普通的传感器,搭载背照式传感器的摄像头能够在弱光环境下,提高约30%—50%的感光能力,能够在弱光下拍摄更高的质量的照片。

背照式CMOS的重要发展历程

990年代,背照式概念被提出,但由于生产加工要求很高,因此无法实现量产化。

2007年,OmniVision对外展示了BSI CMOS样品。

2009年2月,索尼实现BSI CMOS量产化并注册了Exmor R商标。首批搭载Exmor R CMOS的产品包括索尼HDR-XR520、HDR-XR500摄像机(2009-2),索尼DSC-WX1、DSC-TX1便携数码相机(2009-9),索尼爱立信Cyber-shot S006拍照手机(2010-10)。

2018年10月,苹果iPhone 4S的主摄像头搭载了索尼生产的BSI CMOS。

2013年6月,索尼推出搭载1英寸约2020万像素BSI CMOS的数码相机RX100 II。

2015年6月,索尼推出搭载搭载35mm全画幅约4240万像素BSI CMOS的无反相机A7RII。

背照式CMOS的特点

新型背照式CMOS传感器得益于电子器件的制作工艺升级,至少在两个方面有提升。