背照式CMOS传感器

石鑫华视觉

背照式CMOS传感器
　　在传统CMOS感光元件中，感光二极管位于电路晶体管后方，进光量会因遮挡受到影响。所谓背照式CMOS就是将它掉转方向，让光线首先进入感光二极管，从而增大感光量，显著提高低光照条件下的拍摄效果。索尼的背照式CMOS传感器商品名称为Exmor R，首先在DV摄像机中得到应用。

　　Exmor R CMOS背面照明技术感光元件，改善了传统CMOS感光元件的感光度。Exmor R CMOS采用了和普通方法相反、向没有布线层的一面照射光线的背面照射技术，由于不受金属线路和晶体管的阻碍，开口率（光电转换部分在一个像素中所占的面积比例）可提高至近100%。与其以往1.75μm间隔的表面照射产品相比，背面照射产品在灵敏度（S/N）上具有很大优势。
Exmor R CMOS的优势
　　传统的CMOS传感器每个像素点都要搭配一个对应的A/D转换器以及对应的放大电路，因此，这部分电路会占用更多的像素面积，直接导致光电二极管实际感光的面积变小，感光能力变弱。CCD的单个像素点不需要A/D转换器和放大电路，光电二极管能获得更大的实际感光面积，开口率更大，因此在小尺寸影像传感器领域，目前CCD仍占据一定优势，而在大尺寸影像传感器领域，由于单个像素点的面积大，A/D转换器和放大电路占用的面积只是整个像素的很小一部分，影响不大，因此CMOS传感器也得到了广泛的应用。　而Exmor R CMOS将光电二极管“放置”在了影像传感器芯片的最上层，把A/D转换器及放大电路挪到了影像传感器芯片的“背面”，而不是像传统CMOS传感器一样，A/D转换器和放大电路位于光电二极管的上层，“挡住了”一部分光线。这样一来，通过微透镜和色彩滤镜进来的光线就可以最大限度地被光电二极管利用，开口率得以大幅度提高，即便是小尺寸的影像传感器，也能获得优良的高感光度能力。

　　相比较之下，传统的表面照射型CMOS传感器的光电二极管位于整个芯片的最下层，而A/D转换器和放大电路位于光电二极管上层，因此光电二极管离透镜的距离更远，光线更容易损失。同时，这些线路连接层还会阻塞从色彩滤镜到达光电二极管的光路，因此直接导致实际能够感光更少。而Exmor R背照式CMOS传感器解决了这样的问题。
CCD传感器和CMOS传感器
　　而现在普遍使用的两种图像传感器就是大家经常听说到的CMOS和CCD传感器了，为了让大家最终更好地认识背照式CMOS传感器，小编在此也简单说一下两种传感器的异同以及优缺点。如下图所示，左边为CCD传感器的结构，右边的为CMOS传感器的机构，黄色的小方块为像素点。由图示可以看出，CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。简单说就是对待单个像素点上得到的电荷数据有不同方法，CCD是全部传输出来再统一处理，CMOS是先分别处理在传出来。这两种方式并不是人们凭空想象出来的，而是由CCD和CMOS的制作工艺决定的，因为CMOS器件内传输数据会有较高的失真，所以需要先做处理。

                               
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CCD传感器和CMOS传感器的不同
　　正是由于两种传感器处理过程的不同，所以在早期，CMOS影像传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都比CCD要差，但优势在于具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点，特别适合在像素数提升上有较多的文章可以做。因此，最近几年芯片级的厂家都放了非常多的精力在CMOS传感器上，以致现在CMOS传感器在市场终端产品上占据了非常高的份额，特别是数码相机方面。
背照式CMOS传感器基本原理
　　时间推进到了08年6月，索尼公司发布了背照式CMOS，并冠以Exmor R名称，并且首先用在数款DV产品上。背照式CMOS影像从此开始快速发展，至今已有多个芯片厂商发布了该类型的产品，越来越多数码影像设备采用了此技术，接下来就详细讲讲此项技术的特点。
　　背照式CMOS传感器最大的优化之处就是将元件内部的结构改变了，即将感光层的元件调转方向，让光能从背面直射进去，避免了传统CMOS传感器结构中，光线会受到微透镜和光电二极管之间的电路和晶体管的影响，从而显著提高光的效能，大大改善低光照条件下的拍摄效果。

                               
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背照式CMOS传感器物理结构图
　　背照式CMOS传感器的具体结构如上图所示（源自索尼资料，其他芯片厂家的产品可能在细节上有不同，但大体意思是相同的），橙色的为光线路，黄色线为受光面。左边的传统式，明显看到光线通过微透镜后还需要经过电路层才能到达受光面，中途光线必然会遭到部分损失（包括被阻挡或被减弱）。背照式CMOS传感器的元件则不同，在改变了结构后，光线通过微透镜后就可以直接到达感光层的背面，完成光电反应，从进光量上改善了感光过程。
　　然后我们更细一点分析，由于中间没有阻隔，背照式CMOS传感器的感光面离微透镜更近了，也就是说光线的入射角度和覆盖的面都能得到优化，感光元件就有可能输出更为优秀的信号。
　　综合以上的因素，背照式CMOS传感器比传统CMOS传感器在灵敏度会上有质的飞跃，结果就是在低光照度下的对焦能力和画质有极大的提升。

为何这么迟才推出背照式CMOS？
　　为何看上去如此简单的改进是在传统CMOS传感器出现这么久才被制造出来呢？其实科学家们大概在20年之前就想到了，只是因为结构调整后的背照式CMOS传感器对电子器件的生产工艺和微处理技术的要求非常高，因为此技术要求承载二极管的基板要非常薄，大概是传统正照式CMOS传感器基板厚度的1/100。因此，芯片厂家在内功不够的时候勉强做背照式CMOS传感器必然会导致得不偿失，可能会导致更多的噪点产生。

                               
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背照式CMOS传感器生产过程
新型的背照式CMOS传感器还有什么优点？
　　新型背照式CMOS传感器得益于电子器件的制作工艺升级，至少在两个方面有提升。第一个是在传感器上的微透镜性能更为提升，以致经过微透镜后的光，入射到感光面上的角度更接近垂直，而且微透镜产生的色散，眩光等不良效果会减弱，让最终到达传感器感光面的光较传统的好。第二就是在大像素下依旧具有高速的处理能力，这一点归根到底是对比CCD传感器而言的。CCD传感器是需要将各像素点的电荷数据传输出来统一处理，所以在像素大的时候速度比较难提高，如果强行提高处理的带宽就会造成噪点的增加。而CMOS传感器在每一个像素点上都已经将电荷转化成了电压数据，在提高大像素帧率上有比较大的空间。
　　不过这两个优点并非被照式CMOS传感器特有，是当今新款的CMOS传感器普遍都能做到的，这就是为什么越来越多数码相机采用CMOS传感器了，毕竟大像素和高速的性能会直接影响最终消费者的选择。
用上背照式CMOS传感器画质就会好了吗？
　　既然背照式CMOS传感器这么厉害，是不是说配备了了它的数码相机拍照就很牛了呢？其实不是，决定数码照片的画质除了核心部件传感器外，还有镜头以及处理算法等因素。镜头的因素大家应该都容易理解，因为光线到达传感器之前是要通过镜头。而各型号的相机使用的镜头不尽相同，具体的质素也当然会有差异。另外一个就是数据处理的方面，因为从传感器出来的数据还是要经过数码相机内部的处理器来进行处理才能得到最终的照片数据（能输出RAW格式的相机除外），换句话说就是有了原始材料，还需要做润色才能出成品。这部分就要看各个厂家的图像处理算法了，这就好比不同厨师会用的烹调方法来处理食材一样，最终的图片就会用不同的质量，不同的风格。
　　对比装备了背照式CMOS传感器的相机和其他相机的各档位ISO画质，大体的结论是在低ISO的时候，两者相差不大，但在高ISO时候的确有一定的提升。另外值得提及的一点就是，装备了背照式CMOS传感器的相机在低光环境的对焦能力大大加强，这是一个非常重要的提升。