Myndskynjarar eru nauðsynlegir í myndavélum, allt frá símum til sjónauka, sem fanga ljós og breyta því í myndir. CMOS (Front-Side Illuminated) og BSI (Backside-Illuminated) skynjarar vinna eftir svipuðum meginreglum en eru mismunandi í uppbyggingu og hafa áhrif á ljóstöku, hávaða og litagæði. Þessi grein útskýrir hönnun þeirra, frammistöðu, notkun og framtíðarþróun í smáatriðum.
CC7. Frá BSI til staflaðra CMOS arkitektúra
CMOS vs BSI skynjara Yfirlit
Allar myndavélar, allt frá snjallsímanum í vasanum til sjónauka sem skoða fjarlægar vetrarbrautir, veltur á því hversu skilvirkt myndflagan fangar ljósið. Bæði CMOS og BSI skynjarar fylgja svipuðum hálfleiðarareglum, en byggingarmunur þeirra leiðir til mikilla breytileika í ljósnæmi, hávaðaafköstum og myndgæðum. Í hefðbundnum CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) skynjurum sitja málmlagnir og smári fyrir ofan ljósdíóðurnar, hindra að hluta til komandi ljós og draga úr heildarnæmi. Þessi hönnun gerir CMOS skynjara hagkvæma og auðveldari í framleiðslu, en takmarkar afköst í lítilli birtu. Aftur á móti snúa BSI (Back-Side Illuminated) skynjarar uppbyggingunni og staðsetja ljósdíóðuna ofan á þannig að ljós berist beint til hennar án hindrana. Þetta bætir skammtavirkni, dregur úr hávaða og eykur afköst í fyrirferðarlitlum eða hágæða myndkerfum, allt frá DSLR myndavélum til vísindatækja.
CMOS skynjara arkitektúr
CMOS-myndflaga að framan (FSI) táknar eldri og hefðbundnari myndflögu sem notuð er í stafrænum myndavélum og snjallsímum. Í þessum arkitektúr verður komandi ljós að fara í gegnum mörg lög af efnum áður en það nær ljósdíóðunni, ljósnæma svæðinu sem ber ábyrgð á að breyta ljóseindum í rafmerki.
Vinnuferli
Hver pixill á skjánum starfar í gegnum samræmt ferli sem felur í sér örlinsur, litasíur, málmsamtengingar, smára og ljósdíóðalag. Örlinsurnar fókusa fyrst ljósið sem berst í gegnum rauðu, grænu og bláu litasíurnar, sem tryggir að aðeins ákveðnar bylgjulengdir nái hverjum undirpixli. Fyrir ofan ljósdíóðuna stjórna málmsamtengingar og smári rafstýringu pixlsins og merkjaaflestri, þó að staðsetning þeirra geti að hluta til hindrað hluta af ljósinu sem berst. Undir þessum lögum liggur ljósdíóðan, sem fangar ljósið sem eftir er og breytir því í rafhleðslu og myndar grunnmyndmerki pixilsins.
Takmarkanir á hönnun FSI
• Minnkað ljósnæmi: Hluti ljóssins endurkastast eða frásogast af raflögnum og smáralögunum áður en það nær ljósdíóðunni.
• Lægri fyllingarstuðull: Eftir því sem pixlastærðir minnka minnkar hlutfall ljósnæma svæðisins og heildarpixlaflatarmálsins, sem leiðir til meiri hávaða.
• Veikari afköst í lítilli birtu: FSI skynjarar eiga í erfiðleikum í daufu umhverfi samanborið við nútíma valkosti eins og BSI skynjara.
Inni í BSI CMOS skynjaranum
Bakhliðarupplýsti (BSI) CMOS skynjarinn gjörbylti stafrænni myndgreiningu með því að takast á við helstu galla hefðbundinnar FSI-hönnunar (Front-Side Illumined), ljósstíflu frá málmlagnum og smára. Með því að snúa uppbyggingu skynjarans við gerir BSI komandi ljósi kleift að ná beint til ljósdíóðunnar, sem bætir ljósnýtni og myndgæði verulega.
BSI tækni virka
• Kísilskífan er þynnt niður í örfáa míkrómetra til að afhjúpa ljósnæma lagið
• Ljósdíóðalagið er staðsett á efri hliðinni og snýr beint að komandi ljósi
• Málmlagnir og smárarásir eru færðar að aftan og koma í veg fyrir að þær hindri ljósleiðir
• Háþróuðum örlinsum er stillt nákvæmlega yfir hvern pixla til að tryggja hámarks ljósfókus
Kostir BSI skynjara
• Meiri skilvirkni ljósgleypni: Allt að 30–50% framför miðað við FSI skynjara, sem skilar sér í bjartari og hreinni myndum.
• Frábær afköst í lítilli birtu: Minnkað ljóseindatap eykur næmni og lágmarkar hávaða í dimmu umhverfi.
• Bætt lita nákvæmni: Með óhindruðum ljósleiðum framleiða litasíur nákvæmari og skærari tóna.
• Fyrirferðarlítil pixlahönnun: BSI styður smærri pixlastærðir en viðheldur myndgæðum, tilvalið fyrir skynjara í hárri upplausn.
• Aukið kraftsvið: Betri merkjaupptaka bæði á björtum og daufum svæðum í umhverfinu.
Ljósnýtni og næmissamanburður
| Eiginleiki | FSI CMOS skynjari | BSI skynjari |
|---|---|---|
| Ljós leið | Ljós fer í gegnum raflögn → tap að hluta | Beint í ljósdíóða → lágmarks tap |
| Skammta skilvirkni (QE) | 60–70% | 90–100% |
| Afköst í lítilli birtu | Miðlungs | Frábært |
| Ígrundun og krosstala | Hátt | Lágt |
| Skýrleiki myndar | Meðaltal | Skarpt og bjart í daufri birtu |
Pixel skreppa og fyllingarstuðull
Í FSI CMOS skynjara
Þegar pixlastærðin fer niður fyrir 1.4 μm samtengjast málmurinn og smári tekur stærra yfirborð. Fyllingarstuðullinn minnkar, sem leiðir til þess að minna ljós er fangað á hvern pixla og aukið myndsuð. Niðurstaðan er dekkri myndir, minni birtuskil og lakari afköst í lítilli birtu.
Í BSI CMOS skynjara
Ljósdíóðan er staðsett fyrir ofan raflögnina, sem gerir ljósi kleift að slá beint á hana. Þessi uppsetning nær næstum 100% fyllingarstuðli, sem þýðir að næstum allt pixlasvæðið verður ljósnæmt. BSI-skynjarar viðhalda jafnri birtu og hærra merkja-til-suðhlutfalli (SNR) yfir myndarammann. Þeir skila einnig yfirburða afköstum í lítilli birtu, jafnvel í fyrirferðarlitlum einingum eins og snjallsíma- eða drónamyndavélum.
Krosstal, hávaði og dreifing á bakhlið
| Þáttur | Hugsanleg vandamál í CMOS (FSI) skynjara | Hugsanleg vandamál í BSI skynjurum | Verkfræðilegar lausnir | Áhrif á myndgæði |
|---|---|---|---|---|
| Sjónræn krosstala | Ljós dreifist eða stíflast af málmlagnum áður en það nær ljósdíóðunni, sem veldur ójafnri lýsingu. | Ljós lekur inn í nærliggjandi pixla vegna útsetningar á bakhliðinni. | Deep Trench Isolation (DTI): Býr til líkamlegar hindranir á milli pixla til að koma í veg fyrir sjóntruflanir. | Skarpari myndir, betri litaaðskilnaður og minni óskýrleiki. |
| Endursamsetning hleðslu | Hleðsluberar glatast í þykkum sílikon- eða málmlögum, sem dregur úr næmi. | Endurröðun bakhliðarinnar: Burðarefni sameinast aftur nálægt óvarnu yfirborði fyrir söfnun. | Passivation Layers & Surface Treatment: Draga úr göllum og bæta hleðslusöfnun. | Aukið næmi og minnkað merkjatap. |
| Blómstrandi áhrif | Oflýsing í einum pixla veldur því að aðliggjandi pixlar mettast vegna dreifingar að framan. | Ofútsetning dreifir hleðslu undir þynnta kísillagið. | Yfirborðslyfjamisnotkun og hleðsluhindranir: Haltu hleðslu í skefjum og komdu í veg fyrir yfirfall. | Minni hvítar rákir og sléttari yfirlýstur. |
| Rafmagns- og hitahávaði | Hiti frá smára á pixlum myndar hávaða í merkjaleiðinni. | Hærra skothljóð vegna þunns sílikons og þéttra rafrása. | Hljóðlausir magnarar og reiknirit til að draga úr hávaða á flís. | Hreinni myndir, bætt afköst í lítilli birtu. |
| Takmörkun fyllingarstuðuls | Málmlög og smári þekja stórt pixlasvæði og draga úr ljósnæmi. | Næstum útrýmt - ljósdíóða að fullu útsett fyrir ljósi. | BSI uppbygging og fínstilling örlinsu. | Hámarks ljósfanga og samræmd birta. |
Frá BSI til staflaðra CMOS arkitektúra
Uppbygging staflaðs CMOS skynjara
| Lag | Aðgerð | Lýsing |
|---|---|---|
| Efsta lag | Pixel fylki (BSI hönnun) | Inniheldur ljósnæmar ljósdíóður sem fanga ljós, með því að nota BSI uppbyggingu til að hámarka næmni. |
| Miðlag | Analog/stafræn rafrás | Sér um merkjabreytingar-, mögnunar- og myndvinnsluverkefni aðskilið frá pixlafylkinu fyrir hreinni úttak. |
| Botnlag | Samþætting minnis eða örgjörva | Getur falið í sér innbyggða DRAM eða AI vinnslukjarna fyrir hraða gagnabiðminni og rauntíma myndaukningu. |
Kostir staflaðra CMOS skynjara
• Ofurhraður upplestur: Býður upp á hraða raðmyndatöku og raunverulega myndbandsupptöku í allt að 4K- eða 8K-upplausn með lágmarksbjögun á rúllulokara.
• Aukin vinnsla á flís: Samþættir rökrásir sem framkvæma HDR sameiningu, hreyfileiðréttingu og hávaðaminnkun beint á skynjarann.
• Orkunýting: Styttri gagnaleiðir og sjálfstæð aflsvið bæta afköst en draga úr orkunotkun.
• Minni formstuðull: Lóðrétt stöflun leyfir fyrirferðarlitla einingahönnun sem er tilvalin fyrir snjallsíma, bílamyndavélar og dróna.
• Stuðningur við gervigreind og tölvumyndgreiningu: Sumir staflaðir skynjarar innihalda sérstaka taugaörgjörva fyrir greindan sjálfvirkan fókus, senugreiningu og rauntíma endurbætur.
Kraftmikið svið og litaafköst í CMOS vs BSI skynjara
BSI (baklýstir) skynjarar
Með því að útrýma málmlagnum fyrir ofan ljósdíóðuna gera BSI skynjarar ljóseindum kleift að ná beint til ljósnæms svæðis. Þessi uppbygging eykur getu fullrar brunns, bætir ljósupptöku og lágmarkar klippingu hápunkta. Fyrir vikið bjóða BSI skynjarar upp á yfirburða HDR afköst, betri litadýpt og fínni skuggastig, sem gerir þá besta fyrir HDR ljósmyndun, læknisfræðilega myndgreiningu og eftirlit í lítilli birtu.
FSI (upplýstir að framan) skynjarar
Aftur á móti þurfa FSI skynjarar ljós að fara í gegnum nokkur lög af rafrásum áður en það nær ljósdíóðunni. Þetta veldur speglun og dreifingu að hluta, sem takmarkar kraftsvið og getu til að kortleggja tóna. Þeir eru líklegri til að fá of mikla lýsingu við bjartar aðstæður og framleiða oft minna nákvæma liti í djúpum skuggum.
Notkun CMOS vs BSI skynjara
CMOS (FSI) skynjarar
• Vél sjón
• Iðnaðar skoðun
• Læknisfræðileg speglun
• Eftirlitsmyndavélar
BSI skynjarar
• Snjallsímar
• Stafrænar myndavélar
• Bílar ADAS
•Stjörnufræði og vísindaleg myndgreining
• 8K myndbandsupptaka
Framtíðarþróun í CMOS vs BSI skynjara
• 3D-staflað hönnun sameinar pixla-, rökfræði- og minnislög fyrir ofurhraðan lestur og gervigreindardrifna myndgreiningu.
• Alþjóðlegir BSI skynjarar útrýma hreyfiröskun fyrir vélfærafræði, dróna og bílakerfi.
• Lífrænir CMOS og skammtapunktaskynjarar skila meiri næmni, breiðari litrófssvörun og ríkari litum.
• Gervigreindarvinnsla á skynjara gerir rauntíma hávaðaminnkun, hlutgreiningu og aðlögunarstýringu á lýsingu.
• Hybrid myndgreiningarpallar sameina CMOS og BSI kosti, bæta kraftmikið svið og draga úr orkunotkun.
Niðurstaða
CMOS og BSI skynjarar hafa endurmótað nútíma myndgreiningu, þar sem BSI býður upp á hærra ljósnæmi, minni hávaða og betri litanákvæmni. Uppgangur staflaðra CMOS og gervigreindarskynjara eykur enn frekar hraða, skýrleika myndar og kraftmikið svið. Saman heldur þessi tækni áfram að efla ljósmyndun, eftirlit og vísindalega myndgreiningu með meiri nákvæmni og skilvirkni.
Algengar spurningar
Hvaða efni eru notuð í CMOS og BSI skynjara?
Báðir nota sílikonskífur. BSI skynjarar innihalda einnig þynnt sílikonlög, örlinsur og málmsamtengingar fyrir betri ljósgleypni.
Hvaða skynjarategund notar meira afl?
BSI skynjarar eyða meiri orku vegna flókinnar hönnunar og hraðari gagnavinnslu, þó að nútíma hönnun sé að bæta skilvirkni.
Af hverju eru BSI skynjarar dýrari en CMOS?
BSI skynjarar krefjast viðbótar framleiðsluþrepa, svo sem þynningu obláta og nákvæmrar lagjöfnunar, sem gerir þá dýrari í framleiðslu.
Hvernig höndla þessir skynjarar hita?
Hátt hitastig eykur hávaða í báðum skynjurum. BSI hönnun felur oft í sér betri hitastýringu til að halda myndgæðum stöðugum.
Geta CMOS og BSI skynjarar greint innrautt ljós?
Já. Þegar þær eru búnar IR-næmri húðun eða síur fjarlægðar geta báðar greint innrautt, þar sem BSI sýnir betra IR-næmi.
Hver er tilgangurinn með örlinsum á myndflögurum?
Örlinsur leiða ljós beint inn í ljósdíóða hvers pixla og bæta birtustig og skilvirkni í smærri BSI skynjurum.