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傳感器背照式：【原】一文讀懂背照式CMOS圖像傳感器
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提到背照式CMOS，相信很多朋友首先會(huì)聯(lián)想到智能手機(jī)等小型影像記錄設(shè)備。現(xiàn)在主流的手機(jī)的攝像頭均采用了背照式和堆棧式兩種類(lèi)型的傳感器。
想要弄清楚背照式中“背”的含義，就必須要先了解傳統(tǒng)CMOS——前照式（FrontSide Illumination，縮寫(xiě)為FSI）的結(jié)構(gòu)。
前照式CMOS
CMOS是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)FSI結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)：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(zhēng)搶感光元件上有限的空間。
電路占據(jù)的面積大，光電二極管占據(jù)的面積就小，CMOS實(shí)際收集的光線就少。對(duì)于智能手機(jī)、便攜數(shù)碼相機(jī)等小型影像記錄設(shè)備來(lái)說(shuō)，這就意味著成像質(zhì)量難以提升，最集中表現(xiàn)就是高ISO拍攝時(shí)的噪點(diǎn)大、雜訊多。
那么，能否減少電路面積呢？首先，現(xiàn)代CMOS普遍采用集成模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC）的做法，1列光電二極管對(duì)應(yīng)1個(gè)ADC和1套放大電路。想要提升像素?cái)?shù)量、提高讀取速度就必須增加配套電路。
傳統(tǒng)的CMOS “前照式”結(jié)構(gòu)，當(dāng)光線射入像素，經(jīng)過(guò)了片上透鏡和彩色濾光片后，先通過(guò)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(huì)反光。所以，在金屬排線這層光線就會(huì)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(jìn)來(lái)的時(shí)候的70％或更少；而且這反射還有可能串?dāng)_旁邊的像素，導(dǎo)致顏色失真。（目前中低檔的CMOS排線層所用金屬是比較廉價(jià)的鋁（Al），鋁對(duì)整個(gè)可見(jiàn)光波段（380～780nm）基本保持90％左右的反射率。）
這樣一來(lái)，“背照式”CMOS就應(yīng)運(yùn)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(méi)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(huán)境下成像質(zhì)量也就更好了。
背照式CMOS
背照式CMOS英文為Back-Illuminated CMOS，縮寫(xiě)為BI CMOS；或BackSide Illumination CMOS，縮寫(xiě)為BSI CMOS。在背照式BSI結(jié)構(gòu)中，光電二極管和電路層的位置發(fā)生了調(diào)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(lái)了兩個(gè)好處：
1.光電二極管可以接收到更多光線（開(kāi)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(zhì)量。
2.配套電路無(wú)需再和光電二極管爭(zhēng)搶面積，更大規(guī)模的電路有助于提高速度，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)CMOS的A7R上，索尼通過(guò)微透鏡優(yōu)化提升邊緣質(zhì)量（芯片位置匹配技術(shù)）；而在使用BSI CMOS的A7R II上，索尼就不需要再做特殊優(yōu)化——當(dāng)然，如果加上微透鏡優(yōu)化自然是極好的，但改善幅度不會(huì)有傳統(tǒng)CMOS來(lái)的明顯。
當(dāng)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(huì)產(chǎn)生干擾。其結(jié)果就是低感光度下的信噪比可能會(huì)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(huán)境下，提高約30%—50%的感光能力，能夠在弱光下拍攝更高的質(zhì)量的照片。
背照式CMOS的重要發(fā)展歷程
990年代，背照式概念被提出，但由于生產(chǎn)加工要求很高，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化。
2007年，OmniVision對(duì)外展示了BSI CMOS樣品。
2009年2月，索尼實(shí)現(xiàn)BSI CMOS量產(chǎn)化并注冊(cè)了Exmor R商標(biāo)。首批搭載Exmor R CMOS的產(chǎn)品包括索尼HDR-XR520、HDR-XR500攝像機(jī)（2009-2），索尼DSC-WX1、DSC-TX1便攜數(shù)碼相機(jī)（2009-9），索尼愛(ài)立信Cyber-shot S006拍照手機(jī)（2010-10）。
2011年10月，蘋(píng)果iPhone 4S的主攝像頭搭載了索尼生產(chǎn)的BSI CMOS。
2013年6月，索尼推出搭載1英寸約2020萬(wàn)像素BSI CMOS的數(shù)碼相機(jī)RX100 II。
2015年6月，索尼推出搭載搭載35mm全畫(huà)幅約4240萬(wàn)像素BSI CMOS的無(wú)反相機(jī)A7RII。
背照式CMO的特點(diǎn)
新型背照式CMOS傳感器得益于電子器件的制作工藝升級(jí)，至少在兩個(gè)方面有提升。
第一個(gè)是在傳感器上的微透鏡性能更為提升，以致經(jīng)過(guò)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(chǎn)生的色散，眩光等不良效果會(huì)減弱，讓最終到達(dá)傳感器感光面的光較傳統(tǒng)的好。
第二就是在大像素下依舊具有高速的處理能力，這一點(diǎn)歸根到底是對(duì)比CCD傳感器而言的。CCD傳感器是需要將各像素點(diǎn)的電荷數(shù)據(jù)傳輸出來(lái)統(tǒng)一處理，所以在像素大的時(shí)候速度比較難提高，如果強(qiáng)行提高處理的帶寬就會(huì)造成噪點(diǎn)的增加。而CMOS傳感器在每一個(gè)像素點(diǎn)上都已經(jīng)將電荷轉(zhuǎn)化成了電壓數(shù)據(jù)，在提高大像素幀率上有比較大的空間。
不過(guò)這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)并非被照式CMOS傳感器特有，是當(dāng)今新款的CMOS傳感器普遍都能做到的，這就是為什么越來(lái)越多數(shù)碼相機(jī)采用CMOS傳感器了，畢竟大像素和高速的性能會(huì)直接影響最終消費(fèi)者的選擇。
用上背照式CMOS傳感器畫(huà)質(zhì)就會(huì)好了嗎？
既然背照式CMOS傳感器這么厲害，是不是說(shuō)配備了了它的數(shù)碼相機(jī)拍照就很牛了呢？其實(shí)不是，決定數(shù)碼照片的畫(huà)質(zhì)除了核心部件傳感器外，還有鏡頭以及處理算法等因素。鏡頭的因素大家應(yīng)該都容易理解，因?yàn)楣饩€到達(dá)傳感器之前是要通過(guò)鏡頭。而各型號(hào)的相機(jī)使用的鏡頭不盡相同，具體的質(zhì)素也當(dāng)然會(huì)有差異。
另外一個(gè)就是數(shù)據(jù)處理的方面，因?yàn)閺膫鞲衅鞒鰜?lái)的數(shù)據(jù)還是要經(jīng)過(guò)數(shù)碼相機(jī)內(nèi)部的處理器來(lái)進(jìn)行處理才能得到最終的照片數(shù)據(jù)（能輸出RAW格式的相機(jī)除外），換句話說(shuō)就是有了原始材料，還需要做潤(rùn)色才能出成品。這部分就要看各個(gè)廠家的圖像處理算法了，這就好比不同廚師會(huì)用的烹調(diào)方法來(lái)處理食材一樣，最終的圖片就會(huì)用不同的質(zhì)量，不同的風(fēng)格。
對(duì)比裝備了背照式CMOS傳感器的相機(jī)和其他相機(jī)的各檔位ISO畫(huà)質(zhì)，大體的結(jié)論是在低ISO的時(shí)候，兩者相差不大，但在高ISO時(shí)候的確有一定的提升。另外值得提及的一點(diǎn)就是，裝備了背照式CMOS傳感器的相機(jī)在低光環(huán)境的對(duì)焦能力大大加強(qiáng)，這是一個(gè)非常重要的提升。
另外，背照式如果要用在單反上，必須等壞點(diǎn)率進(jìn)一步降低才行。單反的cmos多大？小卡片機(jī)的cmos才有多大？如果采用背照式的技術(shù)，單反cmos的良品率必然大大下降。成本可是誰(shuí)也承擔(dān)不起的。
堆棧式CMOS
堆疊式CMOS最先出現(xiàn)在索尼推出的移動(dòng)終端用CMOS上。堆疊式出現(xiàn)的初衷其實(shí)不是為了減少整個(gè)鏡頭模組的體積，這個(gè)只是其附帶好處而已。
CMOS的制作和CPU的制作類(lèi)似，需要特殊的光刻機(jī)對(duì)硅晶圓進(jìn)行蝕刻，形成像素區(qū)域（Pixel Section）和處理回路區(qū)域（Circuit Section）。像素區(qū)域就是種植像素的地方，而處理回路顧名思義，就是管理這一群像素的電路。
為了提高像素集合光的效率，需要引入光波導(dǎo)管。光波導(dǎo)管的干刻過(guò)程中，硅晶圓和像素區(qū)域會(huì)有損傷，此時(shí)則要進(jìn)行一個(gè)叫做“退火（annealing process）”的熱處理步驟，讓硅晶圓和像素區(qū)域從損傷中恢復(fù)回來(lái)，這時(shí)候需要將整塊CMOS加熱。好了，問(wèn)題來(lái)了，這么一熱，同在一塊晶圓上的處理回路肯定有一定的損傷了，原先已經(jīng)“打造”好了的電容電阻值，經(jīng)過(guò)退火后肯定改變了，這種損傷必定會(huì)對(duì)電信號(hào)讀出有一定影響。
還有一個(gè)問(wèn)題，索尼目前建有的移動(dòng)終端用CMOS的制程是65納米干刻，這個(gè)65納米的工藝對(duì)于CMOS的像素區(qū)域的“種植”是完全足夠的。但是處理回路區(qū)域的“打造”，65納米是不夠的，如果能有30納米（實(shí)際提升至45nm制程）的工藝去打造電路，那么處理回路上的晶體管數(shù)量就幾乎翻番，其對(duì)像素區(qū)域的“調(diào)教”也就會(huì)有質(zhì)的飛躍，畫(huà)質(zhì)肯定相應(yīng)變好。但因?yàn)槭窃谕粔K晶圓上制作，像素和回路區(qū)域需要在同一個(gè)制程下制作。
如此魚(yú)和熊掌不可兼得的事情，假如解決了多好！于是索尼的工程師打起了晶圓的基板的主意。
先來(lái)看這張結(jié)構(gòu)圖。原來(lái)處理回路是和像素區(qū)域在同一塊晶圓上打造的。
那么不妨把處理回路放到其它地方去。首先利用SOI和基板的熱傳導(dǎo)系數(shù)差異，通過(guò)加熱將兩者分開(kāi)。像素區(qū)域放到65納米制程的機(jī)器上做，處理回路則放到制程更高（45nm）的機(jī)器上做。然后在拼在一起，堆棧式CMOS也就這樣誕生了。
上邊遇到的兩個(gè)問(wèn)題：①像素“退火”時(shí)回路區(qū)域躺著中槍?zhuān)虎谠谕粔K晶圓上制作時(shí)的制程限制；均迎刃而解了。
堆疊式不僅繼承了背照式的優(yōu)點(diǎn)（像素區(qū)域依然是背照式），還克服了其在制作上的限制與缺陷。由于處理回路的改善和進(jìn)步，攝像頭也將能提供更多的功能，比如說(shuō)硬件HDR，慢動(dòng)作拍攝等等。
像素與處理回路分家的同時(shí)，攝像頭的體積也會(huì)變得更小，但功能和性能卻不減，反而更佳。像素區(qū)域（CMOS的尺寸）可以相應(yīng)地增大，用來(lái)種植更多或者更大的像素。處理回路也會(huì)的到相應(yīng)的優(yōu)化。
堆棧式CMOS使用有信號(hào)處理電路的芯片代替感光組件的電路部分及支持基板，使得設(shè)備有極大的空間，在此形成更多的像素部分，同時(shí)采用堆棧的方式使像素部分和電路芯片重疊，堆棧的兩層相互依賴(lài),像素層與模擬邏輯芯片無(wú)需再互搶所占空間,兩者相互獨(dú)立，可單獨(dú)提高像素質(zhì)量及電路性能。
堆棧式CMOS的優(yōu)點(diǎn)
堆棧式傳感器是由背照式所發(fā)展而成的，背照式傳感器是將感光層的光電二極管的位置換了一下，而堆棧式傳感器則是把信號(hào)回路位置互換。而且，堆棧式傳感器比背照式的的體積更加小，畫(huà)質(zhì)方面也是作了更加好的優(yōu)化。
除此之外，堆棧式傳感器相比起背照式的還擁有兩項(xiàng)技術(shù)來(lái)提升畫(huà)質(zhì)的。
第一個(gè)就是堆棧式傳感器加入了RGBW的編碼技術(shù)，就是是由原來(lái)的R（紅），G（綠），B（藍(lán)）三原色像素點(diǎn)中再加入W（白）像素點(diǎn)來(lái)提升畫(huà)質(zhì)，提高傳感器的感光能力的，使攝像頭在暗光環(huán)境下也能夠拍攝出質(zhì)量更高的照片。
第二項(xiàng)就是堆棧式傳感器更加是支持硬件HDR功能，硬件HDR英文名稱(chēng)叫做“In-camera HDR”，它實(shí)現(xiàn)的原理是能夠精確地單獨(dú)控制每一行像素的曝光時(shí)間，從而在傳感器層面上就實(shí)現(xiàn)原生的高動(dòng)態(tài)范圍渲染，有別于之前的軟件HDR技術(shù)一樣需要軟件，照相機(jī)綜合算法來(lái)合成，所以照片生成的速度更快，而且可以實(shí)現(xiàn)HDR錄像。
從以上的介紹可以看出，堆棧式傳感器是從背照式傳感器進(jìn)化提升而來(lái)的產(chǎn)品，也是由背照式的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，堆棧式傳感器吸取了背照式的優(yōu)勢(shì)地方，再?gòu)浹a(bǔ)了其劣勢(shì)的地方，進(jìn)行了更加全面的優(yōu)化升級(jí)。除此之外，堆棧式傳感器還可以兼顧背照式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使到攝像頭的拍攝畫(huà)質(zhì)有了很大的提高。
所以到現(xiàn)在，越來(lái)越多的手機(jī)生產(chǎn)廠商推出的手機(jī)的攝像頭采用了堆棧式傳感器，憑借更優(yōu)秀的表現(xiàn)，堆棧式傳感器將會(huì)成為日后手機(jī)攝像頭的主流。
傳感器背照式：什么是背照式CMOS_背照式CMOS的優(yōu)缺點(diǎn)
描述
什么是背照式CMOS
背照式CMOS就是將感光二極管掉轉(zhuǎn)方向，讓光線首先進(jìn)入感光二極管，從而增大感光量，顯著提高低光照條件下的拍攝效果。
優(yōu)點(diǎn)
1：擁有更高的寬容度（可以被理解為高光部分不容易溢出、而低光部分不容易欠曝）
2：擁有更快的數(shù)據(jù)吞吐率（通常都支持高速連拍、甚至全高清視頻拍攝）
3：擁有更佳的低光照成像能力（高感光度下的成像表現(xiàn)大大優(yōu)于傳統(tǒng)產(chǎn)品）
4：在傳感器上的微透鏡性能更為提升
缺點(diǎn)
不是說(shuō)配備了了它的數(shù)碼相機(jī)拍照就很牛。因?yàn)闆Q定數(shù)碼照片的畫(huà)質(zhì)除了核心部件傳感器外，還有鏡頭以及處理算法等因素。
結(jié)構(gòu)上的區(qū)別
傳統(tǒng)CMOS和背照式CMOS
非堆棧式和堆棧式
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傳感器背照式：前照式、背照式、堆棧式傳感器有什么區(qū)別？
原標(biāo)題：前照式、背照式、堆棧式傳感器有什么區(qū)別？
傳感器可以說(shuō)是一臺(tái)相機(jī)最重要的部分，很大程度上決定了這臺(tái)相機(jī)的成像質(zhì)量。目前主流的CMOS傳感器，也被分為前照式、背照式和堆棧式。那么你了解他們之間有什么區(qū)別嗎？
1
前照式和背照式傳感器的區(qū)別
前照式傳感器也被稱(chēng)為傳統(tǒng)式傳感器。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，其與背照式傳感器的區(qū)別在于，前者的金屬線路層在光電二極管上方，而后者的金屬線路層在光電二極管下方。
因此，背照式傳感器不會(huì)因?yàn)榻饘倬€路層的遮擋而損失光線，其光線利用率要比傳統(tǒng)式傳感器高出至少30%以上。從而能夠拍出畫(huà)質(zhì)更細(xì)膩，噪點(diǎn)更少的照片。
左圖為前照式（傳統(tǒng)）傳感器、右圖為背照式傳感器
※ 點(diǎn)擊型號(hào)學(xué)習(xí)各相機(jī)攝影、后期 ※
R5
R6
R
5D4
5D3
6D2
80D
90D
A7C
A7S3
D810
A7M3
D750
XT4
D850
D780
Z6II
Z5
D5
Z7
Z6
A7R4
A6400
A7R3
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2
堆棧式與背照式傳感器的關(guān)系
首先需要明確的是，堆棧式傳感器是由背照式傳感器發(fā)展而來(lái)，不存在非一即二的情況，兩者是可以共存的。
由于背照式傳感器的像素區(qū)和電路區(qū)是在一起的，所以要求兩者的工藝是相同的，并且由于電路區(qū)的存在，體積也會(huì)大一些。
而堆棧式傳感器，則將背照式傳感器的電路區(qū)放在了另外一塊板上，并與像素區(qū)重合，從而形成“堆棧”的結(jié)構(gòu)。
這種方式使得電路區(qū)可以容納更多的晶體管，進(jìn)而大大提高圖像處理速度。
因此，采用堆棧式的結(jié)構(gòu)與采用背照式的傳感器工藝并不沖突，所以堆棧式傳感器高于背照式傳感器，并“涵蓋”背照式傳感器。
舉個(gè)例子，像最近剛發(fā)布的索尼A7M4，其傳感器就是背照式傳感器，索尼將其取名為Exmor R。
而索尼A9，則使用的堆棧式傳感器，取名為Exmor RS，而“S”就是英文“stack”的首字母，就是堆棧的意思，但其依然運(yùn)用了背照式傳感器的工藝，所以只是在原本“Exmor R”后面增加了“S”作為標(biāo)識(shí)。
講到這里，相信各位就已經(jīng)理解前照式傳感器、背照式傳感器以及堆棧式傳感器之間的區(qū)別與聯(lián)系了。
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背照式cmos傳感器
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所謂背照式CMOS傳感器就是將它掉轉(zhuǎn)方向，讓光線首先進(jìn)入感光二極管，從而增大感光量，增大感光量低光照條件下的拍攝效果。索尼的背照式CMOS傳感器商品名稱(chēng)為Exmor R，首先在DV攝像機(jī)中得到應(yīng)用。
中文名
背照式cmos傳感器
傳感器
是將它轉(zhuǎn)方向讓光線進(jìn)入感光極管
從 而
增大感光量
由于不受
金屬線路和晶體管的阻礙
首先應(yīng)用
DV攝像機(jī)中
目錄
1
簡(jiǎn)介
2
誕生
3
表現(xiàn)方式
4
傳感器
5
基本原理
6
主要改進(jìn)
7
產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)
8
最新應(yīng)用
背照式cmos傳感器簡(jiǎn)介
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語(yǔ)音
背照式CMOS傳感器
在傳統(tǒng)CMOS感光元件中，感光二極管位于電路晶體管后方，進(jìn)光量會(huì)因遮擋受到影響。所謂背照式CMOS就是將它掉轉(zhuǎn)方向，讓光線首先進(jìn)入感光二極管，從而增大感光量，顯著提高低光照條件下的拍攝效果。索尼的背照式CMOS傳感器商品名稱(chēng)為Exmor R，首先在DV攝像機(jī)中得到應(yīng)用。Exmor R CMOS背面照明技術(shù)感光元件，改善了傳統(tǒng)CMOS感光元件的感光度。Exmor R CMOS采用了和普通方法相反、向沒(méi)有布線層的一面照射光線的背面照射技術(shù)，由于不受金屬線路和晶體管的阻礙，開(kāi)口率（光電轉(zhuǎn)換部分在一個(gè)像素中所占的面積比例）可提高至近100%。與其以往1.75μm間隔的表面照射產(chǎn)品相比，背面照射產(chǎn)品在靈敏度（S/N）上具有很大優(yōu)勢(shì)。
背照式cmos傳感器誕生
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數(shù)碼相機(jī)的本質(zhì)，從專(zhuān)業(yè)的角度來(lái)看，就是把光能轉(zhuǎn)化為信息存儲(chǔ)起來(lái)。而量化的核心部件是傳感器，傳感器的作用就是把傳到它身上的不同強(qiáng)度的光線進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成電壓信息最終生成我們想要的數(shù)字圖片。CMOS（Complementary metal-Oxide Semiconductor）中文的全稱(chēng)為互補(bǔ)氧化金屬半導(dǎo)體，是用于記錄光線變化的元件，是最常用的感光器件之一，CMOS被稱(chēng)之?dāng)?shù)碼相機(jī)的大腦。CMOS的成分主要由硅和鍺兩種元素組成，這點(diǎn)與計(jì)算機(jī)內(nèi)部的很多芯片相同。在CMOS上共存著帶+電和-電的半導(dǎo)體，通過(guò)這兩種互補(bǔ)的電荷產(chǎn)生的電流，可以處理成芯片記錄，最終達(dá)到成像的目的。但是早期的CMOS有個(gè)明顯的缺點(diǎn)，由于在電流變化時(shí)頻率變快，不可避免的會(huì)產(chǎn)生熱量，最終造成畫(huà)面出現(xiàn)雜點(diǎn)影響成像質(zhì)量，在一段時(shí)間內(nèi)造成了CMOS的擱淺。 科技在不斷進(jìn)步，人們追求更高畫(huà)質(zhì)的腳步從未停下來(lái)。2008年的6月索尼公司宣布了背照式CMOS傳感器，并首先裝載在旗下的DV中，這在業(yè)界引起了很大的反響。時(shí)間再推進(jìn)1年，2009年索尼在旗下的兩款新品TX1和WX1中搭載了背照式CMOS傳感器，這在CCD當(dāng)?shù)赖氖袌?chǎng)中無(wú)疑是一支奇兵。背照式CMOS傳感器最大的優(yōu)化之處在于將元件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)改變了，背照CMOS將感光層的元件調(diào)轉(zhuǎn)方向，讓光能從背面直射進(jìn)去，避免了傳統(tǒng)CMOS傳感器結(jié)構(gòu)中，光線會(huì)受到微透鏡和光電二極管之間的電路和晶體管的影響，從而顯著提高光的效能，大大改善低光照條件下的拍攝效果。綜合以上的因素，背照式CMOS傳感器比傳統(tǒng)CMOS傳感器在靈敏度會(huì)上有質(zhì)的飛躍，結(jié)果就是在低光照度下的對(duì)焦能力和畫(huà)質(zhì)有極大的提升。我們所看到的CMOS器件貌似很簡(jiǎn)單，實(shí)際上對(duì)生產(chǎn)工藝與微處理的技術(shù)要求相當(dāng)高，改變了CMOS的方向意味著承載二極管的板子要非常薄，大概是傳統(tǒng)CMOS的百分之一，這在當(dāng)時(shí)阻礙了背照式CMOS的誕生。
背照式cmos傳感器表現(xiàn)方式
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背照式CMOS傳感器
相機(jī)的本質(zhì)價(jià)值就在于把我們?nèi)搜勰芸吹降木跋筠D(zhuǎn)化成可以保存欣賞的平面圖像，把輾轉(zhuǎn)即逝的瞬間變成永恒。在另一個(gè)角度來(lái)看，這是一種能量流動(dòng)的方式，相機(jī)所做的工作就是將光能轉(zhuǎn)化到介質(zhì)上轉(zhuǎn)化為信息存儲(chǔ)起來(lái)。其中膠片相機(jī)成像是依靠鹵化銀晶體的化學(xué)特性，即遇光就會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，再通過(guò)沖洗等一系列過(guò)程得到影像，具體的細(xì)節(jié)本文不展開(kāi)。科技發(fā)展到了數(shù)碼化的時(shí)代，照片的存儲(chǔ)最終是以數(shù)字的格式，即是一連串的數(shù)值組成的文件。那究竟從自然界的光到數(shù)碼圖片文件，中間要經(jīng)過(guò)怎么樣的處理過(guò)程呢？照片要以數(shù)碼的方式來(lái)表現(xiàn)，一個(gè)非常重要的步驟就是量化，也就是說(shuō)我們需要將自然界的景象轉(zhuǎn)換成一種可以用數(shù)值精確衡量的方式來(lái)表達(dá)。實(shí)際上量化過(guò)程的核心部件是影像傳感器，它可以將傳到它身上的不同強(qiáng)弱、不同顏色的光線，通過(guò)轉(zhuǎn)化成可以感光二極管(photodiode)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換成電荷或者是電壓信息，整個(gè)圖像傳感器點(diǎn)陣上所有的信息出來(lái)再到處理芯片生成數(shù)字格式的圖片。
背照式cmos傳感器傳感器
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CCD傳感器和CMOS傳感器
背照式CMOS傳感器
而現(xiàn)在普遍使用的兩種圖像傳感器就是大家經(jīng)常聽(tīng)說(shuō)到的CMOS和CCD傳感器了，為了讓大家最終更好地認(rèn)識(shí)背照式CMOS傳感器，左邊為CCD傳感器的結(jié)構(gòu)，右邊的為CMOS傳感器的機(jī)構(gòu)，黃色的小方塊為像素點(diǎn)。由《背照式CMOS傳感器》圖示可以看出，CCD傳感器中每一行中每一個(gè)象素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)象素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個(gè)象素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類(lèi)似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。簡(jiǎn)單說(shuō)就是對(duì)待單個(gè)像素點(diǎn)上得到的電荷數(shù)據(jù)有不同方法，CCD是全部傳輸出來(lái)再統(tǒng)一處理，CMOS是先分別處理再傳出來(lái)。這兩種方式并不是人們憑空想象出來(lái)的，而是由CCD和CMOS的制作工藝決定的，因?yàn)镃MOS器件內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)會(huì)有較高的失真，所以需要先做處理。正是由于兩種傳感器處理過(guò)程的不同，所以在早期，CMOS影像傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都比CCD（電荷耦合裝置，電荷耦合器件）要差，但優(yōu)勢(shì)在于具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點(diǎn)，特別適合在像素?cái)?shù)提升上有較多的文章可以做。因此，最近幾年芯片級(jí)的廠家都放了非常多的精力在CMOS傳感器上，以致現(xiàn)在CMOS傳感器在市場(chǎng)終端產(chǎn)品上占據(jù)了非常高的份額，特別是在數(shù)碼相機(jī)方面。
背照式cmos傳感器基本原理
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索尼Exmor R CMOS的圖片處理過(guò)程
時(shí)間推進(jìn)到了08年6月，索尼公司發(fā)布了背照式CMOS，并冠以Exmor R名稱(chēng)，并且首先用在數(shù)款DV產(chǎn)品上。背照式CMOS影像從此開(kāi)始快速發(fā)展，至今已有多個(gè)芯片廠商發(fā)布了該類(lèi)型的產(chǎn)品，越來(lái)越多數(shù)碼影像設(shè)備采用了此技術(shù)，接下來(lái)小編就詳細(xì)講講此項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)。背照式CMOS傳感器最大的優(yōu)化之處就是將元件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)改變了，即將感光層的元件調(diào)轉(zhuǎn)方向，讓光能從背面直射進(jìn)去，避免了傳統(tǒng)CMOS傳感器結(jié)構(gòu)中，光線會(huì)受到微透鏡和光電二極管之間的電路和晶體管的影響，從而顯著提高光的效能，大大改善低光照條件下的拍攝效果。背照式CMOS傳感器的具體結(jié)構(gòu)(源自索尼資料，其他芯片廠家的產(chǎn)品可能在細(xì)節(jié)上有不同，但大體意思是相同的)，橙色的為光線路，黃色線為受光面。左邊的傳統(tǒng)式，明顯看到光線通過(guò)微透鏡后還需要經(jīng)過(guò)電路層才能到達(dá)受光面，中途光線必然會(huì)遭到部分損失(包括被阻擋或被減弱)。背照式CMOS傳感器的元件則不同，在改變了結(jié)構(gòu)后，光線通過(guò)微透鏡后就可以直接到達(dá)感光層的背面，完成光電反應(yīng)，從進(jìn)光量上改善了感光過(guò)程。然后我們更細(xì)一點(diǎn)分析，由于中間沒(méi)有阻隔，背照式CMOS傳感器的感光面離微透鏡更近了，也就是說(shuō)光線的入射角度和覆蓋的面都能得到優(yōu)化，感光元件就有可能輸出更為優(yōu)秀的信號(hào)。綜合以上的因素，背照式CMOS傳感器比傳統(tǒng)CMOS傳感器在靈敏度會(huì)上有質(zhì)的飛躍，結(jié)果就是在低光照度下的對(duì)焦能力和畫(huà)質(zhì)有極大的提升。
背照式cmos傳感器主要改進(jìn)
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為何看上去如此簡(jiǎn)單的改進(jìn)是在傳統(tǒng)CMOS傳感器出現(xiàn)這么久才被制造出來(lái)呢？其實(shí)科學(xué)家們大概在20年之前就想到了，只是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)調(diào)整后的背照式CMOS傳感器對(duì)電子器件的生產(chǎn)工藝和微處理技術(shù)的要求非常高，因?yàn)榇思夹g(shù)要求承載二極管的基板要非常薄，大概是傳統(tǒng)正照式CMOS傳感器基板厚度的1/100。因此，芯片廠家在內(nèi)功不夠的時(shí)候勉強(qiáng)做背照式CMOS傳感器必然會(huì)導(dǎo)致得不償失，可能會(huì)導(dǎo)致更多的噪點(diǎn)產(chǎn)生。新型背照式CMOS傳感器得益于電子器件的制作工藝升級(jí)，至少在兩個(gè)方面有提升。第一個(gè)是在傳感器上的微透鏡性能更為提升，以致經(jīng)過(guò)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(chǎn)生的色散，眩光等不良效果會(huì)減弱，讓最終到達(dá)傳感器感光面的光較傳統(tǒng)的好。第二就是在大像素下依舊具有高速的處理能力，這一點(diǎn)歸根到底是對(duì)比CCD傳感器而言的。CCD傳感器是需要將各像素點(diǎn)的電荷數(shù)據(jù)傳輸出來(lái)統(tǒng)一處理，所以在像素大的時(shí)候速度比較難提高，如果強(qiáng)行提高處理的帶寬就會(huì)造成噪點(diǎn)的增加。而CMOS傳感器在每一個(gè)像素點(diǎn)上都已經(jīng)將電荷轉(zhuǎn)化成了電壓數(shù)據(jù)，在提高大像素幀率上有比較大的空間。既然背照式CMOS傳感器這么厲害，是不是說(shuō)配備了了它的數(shù)碼相機(jī)拍照就很牛了呢？其實(shí)不是，決定數(shù)碼照片的畫(huà)質(zhì)除了核心部件傳感器外，還有鏡頭以及處理算法等因素。鏡頭的因素大家應(yīng)該都容易理解，因?yàn)楣饩€到達(dá)傳感器之前是要通過(guò)鏡頭。而各型號(hào)的相機(jī)使用的鏡頭不盡相同，具體的質(zhì)素也當(dāng)然會(huì)有差異。另外一個(gè)就是數(shù)據(jù)處理的方面，因?yàn)閺膫鞲衅鞒鰜?lái)的數(shù)據(jù)還是要經(jīng)過(guò)數(shù)碼相機(jī)內(nèi)部的處理器來(lái)進(jìn)行處理才能得到最終的照片數(shù)據(jù)(能輸出RAW格式的相機(jī)除外)，換句話說(shuō)就是有了原始材料，還需要做潤(rùn)色才能出成品。這部分就要看各個(gè)廠家的圖像處理算法了，這就好比不同廚師會(huì)用的烹調(diào)方法來(lái)處理食材一樣，最終的圖片就會(huì)用不同的質(zhì)量，不同的風(fēng)格。對(duì)比裝備了背照式CMOS傳感器的相機(jī)和其他相機(jī)的各檔位ISO畫(huà)質(zhì)，大體的結(jié)論是在低ISO的時(shí)候，兩者相差不大，但在高ISO時(shí)候的確有一定的提升。另外值得提及的一點(diǎn)就是，裝備了背照式CMOS傳感器的相機(jī)在低光環(huán)境的對(duì)焦能力大大加強(qiáng)，這是一個(gè)非常重要的提升。
背照式cmos傳感器產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)
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傳統(tǒng)的CMOS傳感器每個(gè)像素點(diǎn)都要搭配一個(gè)對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器以及對(duì)應(yīng)的放大電路，因此，這部分電路會(huì)占用更多的像素面積，直接導(dǎo)致光電二極管實(shí)際感光的面積變小，感光能力變?nèi)酢CD的單個(gè)像素點(diǎn)不需要A/D轉(zhuǎn)換器和放大電路，光電二極管能獲得更大的實(shí)際感光面積，開(kāi)口率更大，因此在小尺寸影像傳感器領(lǐng)域，目前CCD仍占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)，而在大尺寸影像傳感器領(lǐng)域，由于單個(gè)像素點(diǎn)的面積大，A/D轉(zhuǎn)換器和放大電路占用的面積只是整個(gè)像素的很小一部分，影響不大，因此CMOS傳感器也得到了廣泛的應(yīng)用。不過(guò)這個(gè)優(yōu)點(diǎn)并非背照式CMOS傳感器特有，是當(dāng)今新款的CMOS傳感器普遍都能做到的，這就是為什么越來(lái)越多數(shù)碼相機(jī)采用CMOS傳感器了，畢竟大像素和高速的性能會(huì)直接影響最終消費(fèi)者的選擇。相比較之下，傳統(tǒng)的表面照射型CMOS傳感器的光電二極管位于整個(gè)芯片的最下層，而A/D轉(zhuǎn)換器和放大電路位于光電二極管上層，因此光電二極管離透鏡的距離更遠(yuǎn)，光線更容易損失。同時(shí)，這些線路連接層還會(huì)阻塞從色彩濾鏡到達(dá)光電二極管的光路，因此直接導(dǎo)致實(shí)際能夠感光更少。而Exmor R背照式CMOS傳感器解決了這樣的問(wèn)題。Exmor R CMOS將光電二極管“放置”在了影像傳感器芯片的最上層，把A/D轉(zhuǎn)換器及放大電路挪到了影像傳感器芯片的“背面”，而不是像傳統(tǒng)CMOS傳感器一樣，A/D轉(zhuǎn)換器和放大電路位于光電二極管的上層，“擋住了”一部分光線。這樣一來(lái)，通過(guò)微透鏡和色彩濾鏡進(jìn)來(lái)的光線就可以最大限度地被光電二極管利用，開(kāi)口率得以大幅度提高，即便是小尺寸的影像傳感器，也能獲得優(yōu)良的高感光度能力。
背照式cmos傳感器最新應(yīng)用
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佳能IXUS HS系列數(shù)碼相機(jī)是背照式CMOS傳感器的最新應(yīng)用。“HS SYSTEM”將高感光度下可抑制噪點(diǎn)產(chǎn)生的“高感光度圖像感應(yīng)器”與佳能獨(dú)有的影像處理器“DIGIC”相結(jié)合，從而在高感光度下也可拍出低噪點(diǎn)的漂亮照片，在現(xiàn)有數(shù)碼相機(jī)不擅長(zhǎng)的昏暗場(chǎng)景中也可發(fā)揮強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大了用戶的拍攝范圍。其中的“高感光度圖像感應(yīng)器”指的就是佳能HS系列的數(shù)碼相機(jī)采用的背照式CMOS傳感器，這一應(yīng)用使得小型數(shù)碼相機(jī)在夜間的拍攝品質(zhì)得到大幅度的提升。
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