一文讀懂背照式CMOS圖像傳感器

提到背照式CMOS，相信很多朋友首先會聯想到智慧型手機等小型影像記錄設備。現在主流的手機的攝像頭均採用了背照式和堆棧式兩種類型的傳感器。

想要弄清楚背照式中「背」的含義，就必須要先了解傳統CMOS——前照式（FrontSide Illumination，縮寫為FSI）的結構。

 

前照式CMOS

 

CMOS是一個多層結構。在傳統FSI結構中，自上至下依次為微透鏡（Micro-lens）、彩色濾光鏡（Color Filter）、電路層（Wiring Layers）和光電二極體（Photodiodes）。

不難發現：CMOS總面積 ≈ 光電二極體有效面積 + 電路層有效面積，光電二極體和配套電路需要爭搶感光元件上有限的空間。

 

電路佔據的面積大，光電二極體佔據的面積就小，CMOS實際收集的光線就少。對於智慧型手機、便攜數位相機等小型影像記錄設備來說，這就意味著成像質量難以提升，最集中表現就是高ISO拍攝時的噪點大、雜訊多。

 

那麼，能否減少電路面積呢？首先，現代CMOS普遍採用集成模數轉換電路（ADC）的做法，1列光電二極體對應1個ADC和1套放大電路。想要提升像素數量、提高讀取速度就必須增加配套電路。

傳統的CMOS 「前照式」結構，當光線射入像素，經過了片上透鏡和彩色濾光片後，先通過金屬排線層，最後光線才被光電二極體接收。

 

大家都知道金屬是不透光的，而且還會反光。所以，在金屬排線這層光線就會被部分阻擋和反射掉，光電二極體吸收的光線能就只有剛進來的時候的70％或更少；而且這反射還有可能串擾旁邊的像素，導致顏色失真。（目前中低檔的CMOS排線層所用金屬是比較廉價的鋁（Al），鋁對整個可見光波段（380～780nm）基本保持90％左右的反射率。）

 

這樣一來，「背照式」CMOS就應運而出了，其金屬排線層和光電二極體的位置和「前照式」正好顛倒，光線幾乎沒有阻擋和幹擾地就下到光電二極體，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，在低照度環境下成像質量也就更好了。

背照式CMOS

 

背照式CMOS英文為Back-Illuminated CMOS，縮寫為BI CMOS；或BackSide Illumination CMOS，縮寫為BSI CMOS。在背照式BSI結構中，光電二極體和電路層的位置發生了調換，自上至下依次為微透鏡（Micro-lens）、彩色濾光鏡（Color Filter）、光電二極體（Photodiodes）和電路層（Wiring Layers）。

這帶來了兩個好處：

 

1.光電二極體可以接收到更多光線（開口率更大），使CMOS具有更高靈敏度和信噪比，改善高ISO下的成像質量。

 

2.配套電路無需再和光電二極體爭搶面積，更大規模的電路有助於提高速度，實現超高速連拍、超高清短片拍攝等功能。

由於光電二極體層上移、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CMOS的A7R上，索尼通過微透鏡優化提升邊緣質量（晶片位置匹配技術）；而在使用BSI CMOS的A7R II上，索尼就不需要再做特殊優化——當然，如果加上微透鏡優化自然是極好的，但改善幅度不會有傳統CMOS來的明顯。

當然，任何事物都有兩面性，背照式CMOS也不例外。由於電路層變得密度更高，電路和電路之間不可避免地會產生幹擾。其結果就是低感光度下的信噪比可能會有所下降。

 

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境下，提高約30%—50%的感光能力，能夠在弱光下拍攝更高的質量的照片。

背照式CMOS的重要發展歷程

 

990年代，背照式概念被提出，但由於生產加工要求很高，因此無法實現量產化。

 

2007年，OmniVision對外展示了BSI CMOS樣品。

 

2009年2月，索尼實現BSI CMOS量產化並註冊了Exmor R商標。首批搭載Exmor R CMOS的產品包括索尼HDR-XR520、HDR-XR500攝像機（2009-2），索尼DSC-WX1、DSC-TX1便攜數位相機（2009-9），索尼愛立信Cyber-shot S006拍照手機（2010-10）。

 

2011年10月，蘋果iPhone 4S的主攝像頭搭載了索尼生產的BSI CMOS。

 

2013年6月，索尼推出搭載1英寸約2020萬像素BSI CMOS的數位相機RX100 II。

 

2015年6月，索尼推出搭載搭載35mm全畫幅約4240萬像素BSI CMOS的無反相機A7RII。

 

背照式CMO的特點

 

新型背照式CMOS傳感器得益於電子器件的製作工藝升級，至少在兩個方面有提升。

 

第一個是在傳感器上的微透鏡性能更為提升，以致經過微透鏡後的光，入射到感光面上的角度更接近垂直，而且微透鏡產生的色散，眩光等不良效果會減弱，讓最終到達傳感器感光面的光較傳統的好。

 

第二就是在大像素下依舊具有高速的處理能力，這一點歸根到底是對比CCD傳感器而言的。CCD傳感器是需要將各像素點的電荷數據傳輸出來統一處理，所以在像素大的時候速度比較難提高，如果強行提高處理的帶寬就會造成噪點的增加。而CMOS傳感器在每一個像素點上都已經將電荷轉化成了電壓數據，在提高大像素幀率上有比較大的空間。

 

不過這兩個優點並非被照式CMOS傳感器特有，是當今新款的CMOS傳感器普遍都能做到的，這就是為什麼越來越多數位相機採用CMOS傳感器了，畢竟大像素和高速的性能會直接影響最終消費者的選擇。

 

用上背照式CMOS傳感器畫質就會好了嗎？

 

既然背照式CMOS傳感器這麼厲害，是不是說配備了了它的數位相機拍照就很牛了呢？其實不是，決定數碼照片的畫質除了核心部件傳感器外，還有鏡頭以及處理算法等因素。鏡頭的因素大家應該都容易理解，因為光線到達傳感器之前是要通過鏡頭。而各型號的相機使用的鏡頭不盡相同，具體的質素也當然會有差異。

 

另外一個就是數據處理的方面，因為從傳感器出來的數據還是要經過數位相機內部的處理器來進行處理才能得到最終的照片數據（能輸出RAW格式的相機除外），換句話說就是有了原始材料，還需要做潤色才能出成品。這部分就要看各個廠家的圖像處理算法了，這就好比不同廚師會用的烹調方法來處理食材一樣，最終的圖片就會用不同的質量，不同的風格。

 

對比裝備了背照式CMOS傳感器的相機和其他相機的各檔位ISO畫質，大體的結論是在低ISO的時候，兩者相差不大，但在高ISO時候的確有一定的提升。另外值得提及的一點就是，裝備了背照式CMOS傳感器的相機在低光環境的對焦能力大大加強，這是一個非常重要的提升。

 

另外，背照式如果要用在單反上，必須等壞點率進一步降低才行。單反的cmos多大？小卡片機的cmos才有多大？如果採用背照式的技術，單反cmos的良品率必然大大下降。成本可是誰也承擔不起的。

 

堆棧式CMOS

 

堆疊式CMOS最先出現在索尼推出的移動終端用CMOS上。堆疊式出現的初衷其實不是為了減少整個鏡頭模組的體積，這個只是其附帶好處而已。

 

CMOS的製作和CPU的製作類似，需要特殊的光刻機對矽晶圓進行蝕刻，形成像素區域（Pixel Section）和處理迴路區域（Circuit Section）。像素區域就是種植像素的地方，而處理迴路顧名思義，就是管理這一群像素的電路。

 

為了提高像素集合光的效率，需要引入光波導管。光波導管的幹刻過程中，矽晶圓和像素區域會有損傷，此時則要進行一個叫做「退火（annealing process）」的熱處理步驟，讓矽晶圓和像素區域從損傷中恢復回來，這時候需要將整塊CMOS加熱。好了，問題來了，這麼一熱，同在一塊晶圓上的處理迴路肯定有一定的損傷了，原先已經「打造」好了的電容電阻值，經過退火後肯定改變了，這種損傷必定會對電信號讀出有一定影響。

 

還有一個問題，索尼目前建有的移動終端用CMOS的製程是65納米幹刻，這個65納米的工藝對於CMOS的像素區域的「種植」是完全足夠的。但是處理迴路區域的「打造」，65納米是不夠的，如果能有30納米（實際提升至45nm製程）的工藝去打造電路，那麼處理迴路上的電晶體數量就幾乎翻番，其對像素區域的「調教」也就會有質的飛躍，畫質肯定相應變好。但因為是在同一塊晶圓上製作，像素和迴路區域需要在同一個製程下製作。

 

如此魚和熊掌不可兼得的事情，假如解決了多好！於是索尼的工程師打起了晶圓的基板的主意。

 

先來看這張結構圖。原來處理迴路是和像素區域在同一塊晶圓上打造的。

那麼不妨把處理迴路放到其它地方去。首先利用SOI和基板的熱傳導係數差異，通過加熱將兩者分開。像素區域放到65納米製程的機器上做，處理迴路則放到製程更高（45nm）的機器上做。然後在拼在一起，堆棧式CMOS也就這樣誕生了。

 

上邊遇到的兩個問題：①像素「退火」時迴路區域躺著中槍；②在同一塊晶圓上製作時的製程限制；均迎刃而解了。

 

堆疊式不僅繼承了背照式的優點（像素區域依然是背照式），還克服了其在製作上的限制與缺陷。由於處理迴路的改善和進步，攝像頭也將能提供更多的功能，比如說硬體HDR，慢動作拍攝等等。

 

像素與處理迴路分家的同時，攝像頭的體積也會變得更小，但功能和性能卻不減，反而更佳。像素區域（CMOS的尺寸）可以相應地增大，用來種植更多或者更大的像素。處理迴路也會的到相應的優化。

 

堆棧式CMOS使用有信號處理電路的晶片代替感光組件的電路部分及支持基板，使得設備有極大的空間，在此形成更多的像素部分，同時採用堆棧的方式使像素部分和電路晶片重疊，堆棧的兩層相互依賴,像素層與模擬邏輯晶片無需再互搶所佔空間,兩者相互獨立，可單獨提高像素質量及電路性能。

堆棧式CMOS的優點

 

堆棧式傳感器是由背照式所發展而成的，背照式傳感器是將感光層的光電二極體的位置換了一下，而堆棧式傳感器則是把信號迴路位置互換。而且，堆棧式傳感器比背照式的的體積更加小，畫質方面也是作了更加好的優化。

 

除此之外，堆棧式傳感器相比起背照式的還擁有兩項技術來提升畫質的。

 

第一個就是堆棧式傳感器加入了RGBW的編碼技術，就是是由原來的R（紅），G（綠），B（藍）三原色像素點中再加入W（白）像素點來提升畫質，提高傳感器的感光能力的，使攝像頭在暗光環境下也能夠拍攝出質量更高的照片。

第二項就是堆棧式傳感器更加是支持硬體HDR功能，硬體HDR英文名稱叫做「In-camera HDR」，它實現的原理是能夠精確地單獨控制每一行像素的曝光時間，從而在傳感器層面上就實現原生的高動態範圍渲染，有別於之前的軟體HDR技術一樣需要軟體，照相機綜合算法來合成，所以照片生成的速度更快，而且可以實現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化提升而來的產品，也是由背照式的基礎上發展而來的，堆棧式傳感器吸取了背照式的優勢地方，再彌補了其劣勢的地方，進行了更加全面的優化升級。除此之外，堆棧式傳感器還可以兼顧背照式結構的設計，使到攝像頭的拍攝畫質有了很大的提高。

 

所以到現在，越來越多的手機生產廠商推出的手機的攝像頭採用了堆棧式傳感器，憑藉更優秀的表現，堆棧式傳感器將會成為日後手機攝像頭的主流。

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