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一篇文章读懂什么是背照式CMOS

来源:www.lustervision.com    日期:2018-11-12    点击次数:

前照式CMOS更像是放高利贷的,借十给九还十三这是规矩,量子效率很难高的起来;背照式CMOS则像过完年回来的行李箱,想着办法地还能多装一点,因此特别适合低照度环境。
 
结构性挡光的前照式CMOS
CMOS芯片是由好多层结构反复搭建而成的。在传统结构中,自上而下依次为微透镜组(Micro-lens)、彩色滤光镜(Color Filter)、电路层(Wiring Layers)和光电二极管(Photodiodes)。
 
▲一个典型的贝尔滤波CMOS结构。光线经过微透镜组,被滤光镜过滤为红、绿、蓝三种光,穿过很多层狭小的电路层后,分别被自己的光电二极管接收到,从而形成一副彩色画面。
 
于是乎,在芯片这种狭小结构中,像元形成了一种类似井的成像结构,叫做“阱”。这些层叠的金属电路层,会阻挡和反射一部分入射光,等光线到达光电二极管的时候已经被层层盘剥,只剩下70%不到。这个过程学名叫做“量子效率”。而且,这种反射还有可能串扰旁边的像素,发生一种本来应该是蓝光的光子却被绿光二极管接收到了,从而在一定概率上发生颜色失真。
 
这个由结构产生的问题,在暗场环境或者高感光度拍摄时会尤为突出。要么整个画面漆黑一片,显微镜下发生核战争你都不一定能看到。要么整个画面杂点噪声众多,颗粒感强的你都想摔显微镜。
 
所以背照式的CMOS芯片就应运而生了。
 
前置感光的背照式CMOS
背照式CMOS英文为Back-Illuminated CMOS,缩写为BI CMOS;或BackSide Illumination CMOS,缩写为BSI CMOS。在背照式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)。
 
背照式CMOS的金属排线层以及光电二极管的位置,同前照式来说刚好相反,光线可以几乎没有阻挡和干扰地被光电二极管捕获,因此光线的利用率极高。同时没有了遮挡,开口更大,使CMOS拥有更高的灵敏度和信噪比,这一点在低照度环境下表现的尤为突出。
 
▲背照、前照两种CMOS的结构对比,以及显微镜下的结构比对。能够清晰明了的明白为什么背照式更适合暗场环境应用。
 
其实,背照式的概念早在1990年就被提出过,但是受制于当时的生产制造水平,背照式成像芯片无法实现量产。即便是现在,高端背照式成像芯片依然仅仅活跃在高端科研领域。
 
▲德国PCO是科学成像领域的老司机了,旗下sCMOS相机edge系列最新加入背照式sCMOS新品pco.edge 4.2 bi。
 
pco.edge 4.2 bi使用一块2048×2048分辨率的16bit sCMOS芯片,在背照式结构的加持下,量子效率超过95%。支持液体或风扇制冷,最低可制冷低过-25℃,此时暗噪声仅有 0.2 e-/pixel/s,一举打破背照式CMOS金属电路层密度高所带来的信噪比下降谜团!
 
pco.edge 4.2 bi满分辨率下可以达到最高40fps,仅使用一根USB 3.1 Gen1线缆即可同时高速传输数据和供电。整机小巧紧凑,仅有80×85×102.8mm,实在是实验室用户的首选!
 
▲至今走出过33位诺贝尔奖获得者的德国马克斯·普朗克学会,在《DNA折纸瞬态结合荧光成像的单分子动力学和超分辨显微术》中使用pco.edge 4.2 bi拍摄的超分辨率cos7细胞图像。可以明显看出pco.edge 4.2 bi(左)与普通黑白款前照式sCMOS(右)的成像差别。