整天都说背照式 究竟什么是背照式CMOS?

2015-07-23 00:15 出处:PConline原创 作者:ETPHOTOS 责任编辑:liangjiaxian

  【PConline 技巧】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
全称:背部照射式CMOS
英文:Back-Illuminated CMOS,缩写为BI CMOS;或BackSide Illumination CMOS,缩写为BSI CMOS

整天都说背照式 究竟什么是背照式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)。

整天都说背照式 究竟什么是背照式CMOS?
▲前照式CMOS结构(来源:东芝官网)

  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)。

整天都说背照式 究竟什么是背照式CMOS?
▲背照式CMOS结构(来源:东芝官网)

  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。

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索尼RX100(普通CMOS)与RX100II(背照式CMOS)的信噪比成绩(来源:DxO)

  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%。

整天都说背照式 究竟什么是背照式CMOS?
▲普通BSI CMOS(左)与三星ISOCELL(右)对比

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。

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)。

2011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

2014年9月,三星推出搭载APS-C画幅约2820万像素BSI CMOS的无反相机NX1。

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A7R II。

目前,有能力生产BSI CMOS的厂商包括索尼、Omnivision、东芝、松下、三星、Aptina等。

TIPS:索尼CMOS商标

在索尼CMOS产品中,Exmor表示普通CMOS,Exmor R表示背照式CMOS,Exmor RS表示堆叠式CMOS。

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