Vaizdo jutikliai reikalingi fotoaparatuose, nuo telefonų iki teleskopų, fiksuojantys šviesą ir paverčiantys ją vaizdais. CMOS (priekinės pusės apšvietimas) ir BSI (užpakalinis apšvietimas) jutikliai veikia panašiais principais, tačiau skiriasi struktūra, turinti įtakos šviesos fiksavimui, triukšmui ir spalvų kokybei. Šiame straipsnyje išsamiai paaiškinamas jų dizainas, veikimas, naudojimas ir būsimi pokyčiai.
CC7. Nuo BSI iki sudėtinių CMOS architektūrų
CMOS vs BSI jutiklio apžvalga
Kiekviena kamera – nuo išmaniojo telefono kišenėje iki teleskopų, tyrinėjančių tolimas galaktikas, priklauso nuo to, kaip efektyviai vaizdo jutiklis fiksuoja šviesą. Tiek CMOS, tiek BSI jutikliai laikosi panašių puslaidininkių principų, tačiau jų struktūriniai skirtumai lemia didelius jautrumo šviesai, triukšmo našumo ir vaizdo kokybės skirtumus. Tradiciniuose CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) jutikliuose metaliniai laidai ir tranzistoriai yra virš fotodiodų, iš dalies blokuodami įeinančią šviesą ir sumažindami bendrą jautrumą. Dėl šios konstrukcijos CMOS jutikliai yra ekonomiški ir lengviau gaminami, tačiau riboja veikimą esant prastam apšvietimui. Priešingai, BSI (Back-Side Illuminated) jutikliai apverčia konstrukciją, padėdami fotodiodą viršuje taip, kad šviesa jį pasiektų tiesiai be kliūčių. Tai pagerina kvantinį efektyvumą, sumažina triukšmą ir pagerina našumą kompaktiškose ar aukščiausios klasės vaizdo sistemose – nuo DSLR fotoaparatų iki mokslinių instrumentų.
CMOS jutiklio architektūra
Priekinės pusės apšviestas (FSI) CMOS jutiklis atspindi ankstesnę ir įprastesnę vaizdo jutiklio struktūrą, naudojamą skaitmeniniuose fotoaparatuose ir išmaniuosiuose telefonuose. Šioje architektūroje įeinanti šviesa turi praeiti per kelis medžiagų sluoksnius, kad pasiektų fotodiodą, šviesai jautrią sritį, atsakingą už fotonų pavertimą elektriniais signalais.
Darbo procesas
Kiekvienas ekrano pikselis veikia koordinuotu procesu, apimančiu mikrolęšius, spalvų filtrus, metalines jungtis, tranzistorius ir fotodiodų sluoksnį. Mikrolęšiai pirmiausia sufokusuoja įeinančią šviesą per raudonos, žalios ir mėlynos spalvos filtrus, užtikrindami, kad kiekvieną subpikselį pasiektų tik tam tikri bangos ilgiai. Virš fotodiodo metalinės jungtys ir tranzistoriai valdo pikselio elektrinį valdymą ir signalo nuskaitymą, nors jų padėtis gali iš dalies blokuoti dalį įeinančios šviesos. Po šiais sluoksniais yra fotodiodas, kuris užfiksuoja likusią šviesą ir paverčia ją elektros krūviu, sudarydamas pagrindinį pikselio vaizdo signalą.
FSI dizaino apribojimai
• Sumažintas jautrumas šviesai: dalį šviesos atspindi arba sugeria laidų ir tranzistorių sluoksniai, kol ji gali pasiekti fotodiodą.
• Mažesnis užpildymo koeficientas: mažėjant pikselių dydžiams, šviesai jautrios srities ir bendro pikselių ploto santykis mažėja, todėl atsiranda daugiau triukšmo.
• Silpnesnis veikimas esant silpnam apšvietimui: FSI jutikliai sunkiai veikia tamsioje aplinkoje, palyginti su šiuolaikinėmis alternatyvomis, tokiomis kaip BSI jutikliai.
BSI CMOS jutiklio viduje
Backside-Illuminated (BSI) CMOS jutiklis padarė revoliuciją skaitmeniniame vaizdavime, spręsdamas pagrindinį tradicinių priekinio apšvietimo (FSI) dizaino trūkumą – šviesos blokavimą iš metalinių laidų ir tranzistorių. Pakeitus jutiklio struktūrą, BSI leidžia įeinančiai šviesai tiesiogiai pasiekti fotodiodą, žymiai pagerindamas šviesos efektyvumą ir vaizdo kokybę.
BSI technologijos funkcija
• Silicio plokštelė suploninama vos iki kelių mikrometrų, kad būtų atidengtas šviesai jautrus sluoksnis
• Fotodiodo sluoksnis yra viršutinėje pusėje, tiesiai nukreiptas į įeinančią šviesą
• Metaliniai laidai ir tranzistorių grandinės yra perkelti į galinę pusę, neleidžiant jiems užstoti šviesos kelių
• Pažangūs mikrolęšiai tiksliai sulygiuoti kiekviename pikselyje, kad būtų užtikrintas optimalus šviesos fokusavimas
BSI jutiklių privalumai
• Didesnis šviesos sugerties efektyvumas: iki 30–50 % geresnis, palyginti su FSI jutikliais, todėl vaizdai yra ryškesni ir švaresni.
• Puikus veikimas esant silpnam apšvietimui: sumažintas fotonų praradimas padidina jautrumą ir sumažina triukšmą tamsioje aplinkoje.
• Patobulintas spalvų tikslumas: dėl netrukdomų šviesos takų spalvų filtrai sukuria tikslesnius ir ryškesnius tonus.
• Kompaktiškas pikselių dizainas: BSI palaiko mažesnius pikselių dydžius, išlaikant vaizdo kokybę, idealiai tinka didelės raiškos jutikliams.
• Patobulintas dinaminis diapazonas: geresnis signalo fiksavimas tiek šviesiose, tiek blankiose scenos srityse.
Šviesos efektyvumo ir jautrumo palyginimas
| Funkcija | FSI CMOS jutiklis | BSI jutiklis |
|---|---|---|
| Šviesos kelias | Šviesa praeina per laidus → dalinius nuostolius | Tiesiogiai į fotodiodą → minimaliais nuostoliais |
| Kvantinis efektyvumas (QE) | 60–70 % | 90–100% |
| Veikimas esant silpnam apšvietimui | Vidutinis | Puiku |
| Refleksija ir kryžminis pokalbis | Aukštas | Žemas |
| Vaizdo aiškumas | Vidutinis | Ryškus ir ryškus esant silpnam apšvietimui |
Pikselių susitraukimas ir užpildymo koeficientas
FSI CMOS jutikliuose
Kai pikselių dydis nukrenta žemiau 1,4 μm, metalinės jungtys ir tranzistoriai užima didesnį paviršiaus plotą. Užpildymo koeficientas mažėja, todėl vienam pikseliui užfiksuojama mažiau šviesos ir padidėja vaizdo triukšmas. Rezultatas – tamsesni vaizdai, mažesnis kontrastas ir silpnesnis veikimas esant prastam apšvietimui.
BSI CMOS jutikliuose
Fotodiodas yra virš laidų, todėl šviesa gali smogti tiesiai į jį. Ši konfigūracija pasiekia beveik 100 % užpildymo koeficientą, o tai reiškia, kad beveik visa pikselių sritis tampa jautri šviesai. BSI jutikliai palaiko vienodą ryškumą ir didesnį signalo ir triukšmo santykį (SNR) visame vaizdo kadre. Jie taip pat užtikrina puikų našumą esant silpnam apšvietimui, net ir kompaktiškuose moduliuose, tokiuose kaip išmaniųjų telefonų ar dronų kameros.
Kryžminis pokalbis, triukšmas ir užpakalinė difuzija
| Aspektas | Galimos CMOS (FSI) jutiklių problemos | Galimos BSI jutiklių problemos | Inžineriniai sprendimai | Poveikis vaizdo kokybei |
|---|---|---|---|---|
| Optinis kryžminis pokalbis | Prieš pasiekiant fotodiodą, šviesa išsklaidoma arba blokuojama metaliniais laidais, todėl apšvietimas yra netolygus. | Šviesa nuteka į kaimyninius pikselius dėl galinės ekspozicijos. | Gili tranšėjos izoliacija (DTI): sukuria fizines kliūtis tarp pikselių, kad būtų išvengta optinių trukdžių. | Ryškesni vaizdai, geresnis spalvų atskyrimas ir mažesnis susiliejimas. |
| Įkrovimo rekombinacija | Krūvio nešėjai prarandami storuose silicio ar metalo sluoksniuose, todėl sumažėja jautrumas. | Nugaros rekombinacija: nešikliai prieš surinkimą rekombinuojasi šalia atviro paviršiaus. | Pasyvavimo sluoksniai ir paviršiaus apdorojimas: sumažinkite defektus ir pagerinkite krūvio surinkimą. | Padidėjęs jautrumas ir sumažintas signalo praradimas. |
| Žydėjimo efektas | Dėl per didelės ekspozicijos viename pikselyje gretimi pikseliai prisotinami dėl priekinės pusės difuzijos. | Per didelė ekspozicija paskirsto krūvį po plonu silicio sluoksniu. | Paviršiaus dopingas ir įkrovimo barjerai: sulaikyti krūvį ir užkirsti kelią perpildymui. | Sumažėję balti dryžiai ir lygesni paryškinimai. |
| Elektrinis ir šiluminis triukšmas | Pikselių tranzistorių šiluma sukuria triukšmą signalo kelyje. | Didesnis šūvio triukšmas dėl plono silicio ir tankios grandinės. | Mažo triukšmo stiprintuvai ir lusto triukšmo mažinimo algoritmai. | Švaresni vaizdai, geresnis veikimas esant prastam apšvietimui. |
| Užpildymo koeficiento apribojimas | Metaliniai sluoksniai ir tranzistoriai padengia didelį pikselių plotą, sumažindami jautrumą šviesai. | Beveik pašalintas - fotodiodas visiškai veikiamas šviesos. | BSI struktūros ir mikrolęšių optimizavimas. | Maksimalus šviesos fiksavimas ir vienodas ryškumas. |
Nuo BSI iki sukrautų CMOS architektūrų
Sukrauto CMOS jutiklio struktūra
| Sluoksnis | Funkcija | Aprašymas |
|---|---|---|
| Viršutinis sluoksnis | Pikselių masyvas (BSI dizainas) | Sudėtyje yra šviesai jautrūs fotodiodai, kurie fiksuoja įeinančią šviesą, naudodami BSI struktūrą, kad padidintų jautrumą. |
| Vidurinis sluoksnis | Analoginės / skaitmeninės grandinės | Tvarko signalo konvertavimo, stiprinimo ir vaizdo apdorojimo užduotis atskirai nuo pikselių masyvo, kad būtų švaresni išėjimai. |
| Apatinis sluoksnis | Atminties arba procesoriaus integracija | Gali būti įterptųjų DRAM arba AI apdorojimo branduolių, skirtų greitam duomenų buferiui ir vaizdo tobulinimui realiuoju laiku. |
Sukrautų CMOS jutiklių privalumai
• Itin greitas nuskaitymas: leidžia greitai nepertraukiamai fotografuoti ir fiksuoti tikrus vaizdo įrašus iki 4K arba 8K raiškos su minimaliais užrakto iškraipymais.
• Patobulintas lusto apdorojimas: integruoja logines grandines, kurios atlieka HDR sujungimą, judesio korekciją ir triukšmo mažinimą tiesiai ant jutiklio.
• Energijos vartojimo efektyvumas: trumpesni duomenų keliai ir nepriklausomi galios domenai pagerina • pralaidumą ir sumažina energijos suvartojimą.
• Mažesnis formos faktorius: vertikalus krovimas leidžia kompaktiškai suprojektuoti modulius, idealiai tinkančius išmaniesiems telefonams, automobilių fotoaparatams ir dronams.
• AI ir kompiuterinio vaizdo palaikymas: kai kuriuose sukrautuose jutikliuose yra specialūs neuroniniai procesoriai, skirti išmaniajam automatiniam fokusavimui, scenos atpažinimui ir tobulinimui realiuoju laiku.
Dinaminis diapazonas ir spalvų našumas CMOS ir BSI jutikliuose
BSI (galinio apšvietimo) jutikliai
Pašalinus metalinius laidus virš fotodiodo, BSI jutikliai leidžia fotonams tiesiogiai pasiekti šviesai jautrią sritį. Ši struktūra padidina viso šulinio talpą, pagerina šviesos absorbciją ir sumažina paryškinimą. Dėl to BSI jutikliai pasižymi puikiu HDR našumu, geresniu spalvų gyliu ir smulkesne šešėlių gradacija, todėl jie geriausiai tinka HDR fotografijai, medicininiam vaizdavimui ir stebėjimui esant prastam apšvietimui.
FSI (priekinės pusės apšviesti) jutikliai
Priešingai, FSI jutikliams reikia, kad šviesa praeitų per kelis grandinės sluoksnius, kol pasiekia fotodiodą. Tai sukelia dalinį atspindį ir sklaidą, o tai riboja dinaminį diapazoną ir tonų atvaizdavimo galimybes. Jie yra labiau linkę į per didelę ekspoziciją šviesiomis sąlygomis ir dažnai sukuria ne tokias tikslias spalvas giliuose šešėliuose.
CMOS ir BSI jutiklių taikymas
CMOS (FSI) jutikliai
• Mašininis matymas
• Pramoninė inspekcija
• Medicininė endoskopija
• Stebėjimo kameros
BSI jutikliai
• Išmanieji telefonai
• Skaitmeniniai fotoaparatai
• Automobilių ADAS
•Astronomija ir mokslinis vaizdavimas
• 8K vaizdo įrašymas
Būsimi CMOS ir BSI jutiklių pokyčiai
• 3D sudėtiniai dizainai sujungia pikselių, logikos ir atminties sluoksnius, kad būtų galima itin greitai nuskaityti ir dirbtiniu intelektu pagrįstą vaizdą.
• Visuotinio užrakto BSI jutikliai pašalina robotikos, dronų ir automobilių sistemų judesio iškraipymus.
• Organiniai CMOS ir kvantinių taškų jutikliai užtikrina didesnį jautrumą, platesnį spektrinį atsaką ir sodresnes spalvas.
• Jutiklio dirbtinio intelekto apdorojimas leidžia realiuoju laiku sumažinti triukšmą, aptikti objektus ir adaptyviai valdyti ekspoziciją.
• Hibridinės vaizdo platformos sujungia CMOS ir BSI privalumus, pagerina dinaminį diapazoną ir sumažina energijos sąnaudas.
Išvada
CMOS ir BSI jutikliai pakeitė šiuolaikinį vaizdavimą, o BSI siūlo didesnį jautrumą šviesai, mažiau triukšmo ir geresnį spalvų tikslumą. Sukrautų CMOS ir dirbtinio intelekto integruotų jutiklių populiarėjimas dar labiau padidina greitį, vaizdo aiškumą ir dinaminį diapazoną. Kartu šios technologijos ir toliau tobulina fotografavimą, stebėjimą ir mokslinį vaizdavimą tiksliau ir efektyviau.
Dažnai užduodami klausimai
Kokios medžiagos naudojamos CMOS ir BSI jutikliuose?
Abiejose naudojamos silicio plokštelės. BSI jutikliai taip pat apima plonus silicio sluoksnius, mikrolęšius ir metalines jungtis, kad geriau sugertų šviesą.
Kuris jutiklio tipas sunaudoja daugiau energijos?
BSI jutikliai sunaudoja daugiau energijos dėl sudėtingos konstrukcijos ir greitesnio duomenų apdorojimo, nors šiuolaikiniai dizainai didina efektyvumą.
Kodėl BSI jutikliai yra brangesni nei CMOS?
BSI jutikliams reikalingi papildomi gamybos etapai, tokie kaip plokštelių retinimas ir tikslus sluoksnių išlyginimas, todėl jų gamyba yra brangesnė.
Kaip šie jutikliai tvarko šilumą?
Aukšta temperatūra padidina triukšmą abiejuose jutikliuose. BSI dizainas dažnai apima geresnę šiluminę kontrolę, kad vaizdo kokybė būtų stabili.
Ar CMOS ir BSI jutikliai gali aptikti infraraudonąją šviesą?
Taip. Kai įrengtos IR jautrios dangos arba pašalinti filtrai, abu gali aptikti infraraudonuosius spindulius, o BSI rodo geresnį IR jautrumą.
Kokia yra vaizdo jutiklių mikrolęšių paskirtis?
Mikrolęšiai nukreipia šviesą tiesiai į kiekvieno pikselio fotodiodą, pagerindami mažesnių BSI jutiklių ryškumą ir efektyvumą.