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。在三星NX1、索尼A7R II等产品登场之后,是时候重新审视背照式技术了。
名词:背照式CMOS
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。 一、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。 二、背照式CMOS 在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。
值得一提的是,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。 TIPS:为什么没有背照式CCD CCD的成像原理与CMOS不同,不需要1列像素对应1个ADC和1套放大电路,所以受电路面积的影响小。 三、继续延伸 背照式结构是堆叠式(Stacked)结构的基础,所以第N代堆叠式CMOS也被称作第N+1代背照式CMOS(如IMX214是索尼的第2代堆叠式CMOS,也被称作第3代背照式CMOS)。 为了解决背照式结构中电路层的串扰问题,三星在2014年2月推出了ISOCELL技术。ISOCELL是普通BSI CMOS的进一步发展,其核心是在像素之间形成物理屏蔽。根据三星公布的官方数据,ISOCELL的串扰比普通BSI CMOS低约30%。
四、重要时间点 1990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。 (责任编辑:捉蛋网) |