背照式cmos感測器

所謂背照式CMOS感測器就是將它掉轉方向，讓光線首先進入感光二極體，從而增大感光量，增大感光量低光照條件下的拍攝效果。索尼的背照式CMOS感測器商品名稱為Exmor R，首先在DV攝像機中得到套用。

基本介紹

• 中文名：背照式cmos感測器
• 感測器：是將它轉方向讓光線進入感光極管
• 從而：增大感光量
• 由於不受：金屬線路和電晶體的阻礙
• 首先套用：DV攝像機中

簡介

在傳統CMOS感光元件中，感光二極體位於電路電晶體後方，進光量會因遮擋受到影響。所謂背照式CMOS就是將它掉轉方向，讓光線首先進入感光二極體，從而增大感光量，顯著提高低光照條件下的拍攝效果。索尼的背照式CMOS感測器商品名稱為Exmor R，首先在DV攝像機中得到套用。

背照式CMOS感測器

Exmor R CMOS背面照明技術感光元件，改善了傳統CMOS感光元件的感光度。Exmor R CMOS採用了和普通方法相反、向沒有布線層的一面照射光線的背面照射技術，由於不受金屬線路和電晶體的阻礙，開口率（光電轉換部分在一個像素中所占的面積比例）可提高至近100%。與其以往1.75μm間隔的表面照射產品相比，背面照射產品在靈敏度（S/N）上具有很大優勢。

誕生

數位相機的本質，從專業的角度來看，就是把光能轉化為信息存儲起來。而量化的核心部件是感測器，感測器的作用就是把傳到它身上的不同強度的光線進行光電轉換，轉換成電壓信息最終生成我們想要的數字圖片。

CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）中文的全稱為互補氧化金屬半導體，是用於記錄光線變化的元件，是最常用的感光器件之一，CMOS被稱之數位相機的大腦。CMOS的成分主要由矽和鍺兩種元素組成，這點與計算機內部的很多晶片相同。在CMOS上共存著帶+電和-電的半導體，通過這兩種互補的電荷產生的電流，可以處理成晶片記錄，最終達到成像的目的。但是早期的CMOS有個明顯的缺點，由於在電流變化時頻率變快，不可避免的會產生熱量，最終造成畫面出現雜點影響成像質量，在一段時間內造成了CMOS的擱淺。 科技在不斷進步，人們追求更高畫質的腳步從未停下來。2008年的6月索尼公司宣布了背照式CMOS感測器，並首先裝載在旗下的DV中，這在業界引起了很大的反響。時間再推進1年，2009年索尼在旗下的兩款新品TX1和WX1中搭載了背照式CMOS感測器，這在CCD當道的市場中無疑是一支奇兵。

背照式CMOS感測器最大的最佳化之處在於將元件內部的結構改變了，背照CMOS將感光層的元件調轉方向，讓光能從背面直射進去，避免了傳統CMOS感測器結構中，光線會受到微透鏡和光電二極體之間的電路和電晶體的影響，從而顯著提高光的效能，大大改善低光照條件下的拍攝效果。綜合以上的因素，背照式CMOS感測器比傳統CMOS感測器在靈敏度會上有質的飛躍，結果就是在低光照度下的對焦能力和畫質有極大的提升。

我們所看到的CMOS器件貌似很簡單，實際上對生產工藝與微處理的技術要求相當高，改變了CMOS的方向意味著承載二極體的板子要非常薄，大概是傳統CMOS的百分之一，這在當時阻礙了背照式CMOS的誕生。

表現方式

相機的本質價值就在於把我們人眼能看到的景象轉化成可以保存欣賞的平面圖像，把輾轉即逝的瞬間變成永恆。在另一個角度來看，這是一種能量流動的方式，相機所做的工作就是將光能轉化到介質上轉化為信息存儲起來。

背照式CMOS感測器

其中膠片相機成像是依靠鹵化銀晶體的化學特性，即遇光就會發生化學變化，再通過沖洗等一系列過程得到影像，具體的細節本文不展開。

科技發展到了數位化的時代，照片的存儲最終是以數字的格式，即是一連串的數值組成的檔案。那究竟從自然界的光到數碼圖片檔案，中間要經過怎么樣的處理過程呢？

照片要以數碼的方式來表現，一個非常重要的步驟就是量化，也就是說我們需要將自然界的景象轉換成一種可以用數值精確衡量的方式來表達。實際上量化過程的核心部件是影像感測器，它可以將傳到它身上的不同強弱、不同顏色的光線，通過轉化成可以感光二極體(photodiode)進行光電轉換成電荷或者是電壓信息，整個圖像感測器點陣上所有的信息出來再到處理晶片生成數字格式的圖片。

感測器

CCD感測器和CMOS感測器

而現在普遍使用的兩種圖像感測器就是大家經常聽說到的CMOS和CCD感測器了，為了讓大家最終更好地認識背照式CMOS感測器，左邊為CCD感測器的結構，右邊的為CMOS感測器的機構，黃色的小方塊為像素點。由圖示可以看出，CCD感測器中每一行中每一個象素的電荷數據都會依次傳送到下一個象素中，由最底端部分輸出，再經由感測器邊緣的放大器進行放大輸出；而在CMOS感測器中，每個象素都會鄰接一個放大器及A/D轉換電路，用類似記憶體電路的方式將數據輸出。簡單說就是對待單個像素點上得到的電荷數據有不同方法，CCD是全部傳輸出來再統一處理，CMOS是先分別處理再傳出來。這兩種方式並不是人們憑空想像出來的，而是由CCD和CMOS的製作工藝決定的，因為CMOS器件內傳輸數據會有較高的失真，所以需要先做處理。

背照式CMOS感測器

正是由於兩種感測器處理過程的不同，所以在早期，CMOS影像感測器在靈敏度、解析度、噪聲控制等方面都比CCD（電荷耦合裝置，電荷耦合器件）要差，但優勢在於具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點，特別適合在像素數提升上有較多的文章可以做。因此，最近幾年晶片級的廠家都放了非常多的精力在CMOS感測器上，以致現在CMOS感測器在市場終端產品上占據了非常高的份額，特別是在數位相機方面。

基本原理

時間推進到了08年6月，索尼公司發布了背照式CMOS，並冠以Exmor R名稱，並且首先用在數款DV產品上。背照式CMOS影像從此開始快速發展，至今已有多個晶片廠商發布了該類型的產品，越來越多數碼影像設備採用了此技術，接下來小編就詳細講講此項技術的特點。背照式CMOS感測器最大的最佳化之處就是將元件內部的結構改變了，即將感光層的元件調轉方向，讓光能從背面直射進去，避免了傳統CMOS感測器結構中，光線會受到微透鏡和光電二極體之間的電路和電晶體的影響，從而顯著提高光的效能，大大改善低光照條件下的拍攝效果。

索尼Exmor R CMOS的圖片處理過程

背照式CMOS感測器的具體結構如上圖所示(源自索尼資料，其他晶片廠家的產品可能在細節上有不同，但大體意思是相同的)，橙色的為光線路，黃色線為受光面。左邊的傳統式，明顯看到光線通過微透鏡後還需要經過電路層才能到達受光面，中途光線必然會遭到部分損失(包括被阻擋或被減弱)。背照式CMOS感測器的元件則不同，在改變了結構後，光線通過微透鏡後就可以直接到達感光層的背面，完成光電反應，從進光量上改善了感光過程。

然後我們更細一點分析，由於中間沒有阻隔，背照式CMOS感測器的感光面離微透鏡更近了，也就是說光線的入射角度和覆蓋的面都能得到最佳化，感光元件就有可能輸出更為優秀的信號。

綜合以上的因素，背照式CMOS感測器比傳統CMOS感測器在靈敏度會上有質的飛躍，結果就是在低光照度下的對焦能力和畫質有極大的提升。

主要改進

為何看上去如此簡單的改進是在傳統CMOS感測器出現這么久才被製造出來呢？其實科學家們大概在20年之前就想到了，只是因為結構調整後的背照式CMOS感測器對電子器件的生產工藝和微處理技術的要求非常高，因為此技術要求承載二極體的基板要非常薄，大概是傳統正照式CMOS感測器基板厚度的1/100。因此，晶片廠家在內功不夠的時候勉強做背照式CMOS感測器必然會導致得不償失，可能會導致更多的噪點產生。

新型背照式CMOS感測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。第一個是在感測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，讓最終到達感測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感測器而言的。CCD感測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頻寬就會造成噪點的增加。而CMOS感測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。

既然背照式CMOS感測器這么厲害，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感測器外，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，因為光線到達感測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，因為從感測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感測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感測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。

產品優勢

傳統的CMOS感測器每個像素點都要搭配一個對應的A/D轉換器以及對應的放大電路，因此，這部分電路會占用更多的像素麵積，直接導致光電二極體實際感光的面積變小，感光能力變弱。CCD的單個像素點不需要A/D轉換器和放大電路，光電二極體能獲得更大的實際感光面積，開口率更大，因此在小尺寸影像感測器領域，目前CCD仍占據一定優勢，而在大尺寸影像感測器領域，由於單個像素點的面積大，A/D轉換器和放大電路占用的面積只是整個像素的很小一部分，影響不大，因此CMOS感測器也得到了廣泛的套用。

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

相比較之下，傳統的表面照射型CMOS感測器的光電二極體位於整個晶片的最下層，而A/D轉換器和放大電路位於光電二極體上層，因此光電二極體離透鏡的距離更遠，光線更容易損失。同時，這些線路連線層還會阻塞從色彩濾鏡到達光電二極體的光路，因此直接導致實際能夠感光更少。而Exmor R背照式CMOS感測器解決了這樣的問題。

Exmor R CMOS將光電二極體“放置”在了影像感測器晶片的最上層，把A/D轉換器及放大電路挪到了影像感測器晶片的“背面”，而不是像傳統CMOS感測器一樣，A/D轉換器和放大電路位於光電二極體的上層，“擋住了”一部分光線。這樣一來，通過微透鏡和色彩濾鏡進來的光線就可以最大限度地被光電二極體利用，開口率得以大幅度提高，即便是小尺寸的影像感測器，也能獲得優良的高感光度能力。

最新套用

佳能IXUS HS系列數位相機是背照式CMOS感測器的最新套用。“HS SYSTEM”將高感光度下可抑制噪點產生的“高感光度圖像感應器”與佳能獨有的影像處理器“DIGIC”相結合，從而在高感光度下也可拍出低噪點的漂亮照片，在現有數位相機不擅長的昏暗場景中也可發揮強大的優勢，擴大了用戶的拍攝範圍。

其中的“高感光度圖像感應器”指的就是佳能HS系列的數位相機採用的背照式CMOS感測器，這一套用使得小型數位相機在夜間的拍攝品質得到大幅度的提升。