25. 3. 2022U vědeckých zobrazovacích kamer,architektura senzorůhraje klíčovou roli při určování kvality obrazu, citlivosti a celkového výkonu. Většina moderních vysoce výkonných fotoaparátů používáCMOS (komplementární polovodič typu kov-oxid)technologie pro pole světlocitlivých pixelů, které tvoří obraz.
V rámci technologie CMOS senzorů existují dvě primární architektury osvětlení:Přední boční osvětlení (FSI)aSenzory s podsvíceným zadním světlem (BSI)Ačkoli se oba designy široce používají ve vědeckých fotoaparátech, liší se v tom, jak dopadající světlo dopadá na fotodiody snímače.
Pochopení rozdílů mezisCMOS senzory FSI a BSImůže pomoci výzkumníkům a inženýrům vybrat nejvhodnější kameru pro aplikace, jako je mikroskopie, zobrazování za slabého osvětlení a další náročná vědecká měření.
Co jsou to sCMOS senzory FSI a BSI?
Model senzoru označuje typ technologie senzoru kamery používané v zobrazovacích zařízeních. Ve vědeckých zobrazovacích systémech hraje senzor klíčovou roli v zachycování přicházejícího světla a jeho přeměně na elektrické signály, které tvoří výsledný obraz.
Nejmodernějšívědecké kameryvyužítCMOStechnologie pro světlocitlivé pixelové pole. CMOS senzory se staly průmyslovým standardem pro vysoce výkonné zobrazování a jsou široce používány v mikroskopii, výzkumu biologických věd a průmyslových kontrolních aplikacích.
V rámci technologie CMOS senzorů se v moderních fotoaparátech používají dvě hlavní architektury osvětlení:FSI senzoryaSenzory BSIAčkoli jsou oba typy založeny na stejné zobrazovací technologii CMOS, liší se v tom, jak světlo prochází strukturou senzoru, než dosáhne křemíku detekujícího světlo.
Pochopení tohoto strukturálního rozdílu je klíčové pro vysvětlení, pročSenzory BSI často poskytují vyšší citlivost, zejména v prostředích vědeckého zobrazování za slabého osvětlení.
Jak fungují senzory s podsvíceným předním světlem (FSI)?
FSI senzory – také známé jakosenzory s předním osvětlením (FI)—jsou nejběžnější architekturou CMOS senzorů používanou v moderních zobrazovacích systémech. Tato konstrukce je široce používána především proto, že jejednodušší a nákladově efektivnější výroba.
V senzoru FSI jsou zapojení a tranzistory, které řídí každý pixel, umístěnynad vrstvou světlocitlivého křemíkuPříchozí fotony proto musí projít touto vrstvou elektroniky, než se dostanou k fotodiodám, které detekují světlo. Pokud foton narazí na tyto součástky, může být...absorbováno nebo rozptýleno, čímž mu zabrání dosáhnout oblasti citlivé na světlo.
Tato struktura snižujefaktor plněníkaždého pixelu a snižuje efektivníKvantová účinnost(QE)—pravděpodobnost, že bude detekován přicházející foton. V důsledku toho senzory FSI obecně nabízejínižší citlivost, zejména v prostředích s nízkým osvětlením.
Výhody
●Jednodušší výroba– Senzory FSI se snáze vyrábějí, protože struktura senzoru nevyžaduje ztenčování křemíkového substrátu.
●Nižší výrobní náklady– Jednodušší výrobní proces zvyšuje nákladovou efektivitu senzorů s podsvícením na přední straně.
Nevýhody
●Nižší citlivost– Zapojení a elektronické součástky se nacházejí nad křemíkem detekujícím světlo, což znamená, že některé přicházející fotony mohou být blokovány před dosažením fotodiody.
Obrázek 1: Struktura pixelů s předním a zadním osvětlením
Boční pohled na strukturu pixelů pro senzory s předním osvětlením (vlevo) a zadním osvětlením (vpravo). Přední strana je zobrazena s barevnými filtry nebo bez nich, zadní strana s mikročočkami nebo bez nich. Vysvětlení součástí viz hlavní text.
Jak fungují senzory s podsvíceným zadním světlem (BSI)?
Senzory BSI používají odlišnou architekturu navrženou pro zlepšení účinnosti sběru světla. V tomto provedení je struktura senzoru efektivněobrácený, což umožňuje fotonům dosáhnout světlocitlivého křemíku přímo, bez předchozího průchodu kabely nebo tranzistory.
Pro dosažení této konfigurace musí být objemový křemík nesoucí světlocitlivou vrstvumechanicky nebo chemicky ředěné, proces často označovaný jakoztenčováníTento výrobní krok umožňuje světlu pronikat k fotodiodám, ale také činí výrobní proces složitějším.
Protože je vrstva zapojení umístěna za fotodiodou, pixelfaktor plnění se blíží 100 %, což umožňuje detekci mnohem většího podílu přicházejících fotonů. Díky tomu mohou senzory BSI dosáhnoutvelmi vysoké kvantitativní uvolňování—v některých případech dosahující90–95 %—což výrazně zlepšuje citlivost za zhoršených světelných podmínek.
Výhody
●Vyšší citlivost– Díky tomu, že dráhu světla neblokuje žádná kabeláž, dosáhne fotodiod více fotonů, což zlepšuje detekci signálu.
●Vylepšený výkon za zhoršených světelných podmínek– Senzory BSI jsou obzvláště účinné v aplikacích, kde je kritické zachycení slabých signálů nebo jemných detailů.
Nevýhody
●Vyšší náklady a složitost výroby– Proces ztenčování destiček potřebný pro senzory BSI zvyšuje výrobní obtížnost a výrobní náklady.
Klíčové rozdíly mezi sCMOS senzory FSI a BSI
Přestože jsou senzory FSI i BSI založeny na stejné zobrazovací technologii CMOS, jejich vnitřní struktury vedou k významným rozdílům ve výkonu, citlivosti a složitosti výroby.
Hlavní rozdíl spočívá v tom, jak světlo dopadá na fotodiodu. U senzorů FSI musí přicházející fotony projít vrstvami vodičů a elektroniky, než dosáhnou světlocitlivého křemíku. U senzorů BSI je struktura senzoru invertována, takže fotony dopadají přímo na fotodiodu, což zlepšuje účinnost sběru světla.
Tato architektonická změna zvyšuje faktor plnění a výrazně zlepšuje kvantovou efektivitu (QE), což umožňuje senzorům BSI detekovat více přicházejících fotonů – zejména za zhoršených světelných podmínek. Toto zlepšení výkonu je však za cenu složitějšího výrobního procesu.
| Funkce | Snímače FSI sCMOS | Snímače BSI sCMOS |
| Struktura senzoru | Zapojení nad fotodiodou | Zapojení za fotodiodou |
| Světelná cesta | Částečně blokováno elektronikou | Přímá cesta k fotodiodě |
| Faktor plnění | Sníženo vrstvami kabeláže | Téměř 100 % |
| Kvantová účinnost | Mírný | Velmi vysoká (až ~95 %) |
| Citlivost | Nižší snímky při slabém osvětlení | Vyšší citlivost |
| Výrobní náklady | Spodní | Vyšší |
Kvůli těmto rozdílům závisí volba mezi senzory FSI a BSI často na rovnováze mezi požadavky na výkon a náklady na systém.
Výběr mezi senzory FSI a BSI
Při výběru mezi senzory s předním osvětlením (FSI) a zadním osvětlením (BSI) pro vaši zobrazovací aplikaci je nejdůležitější specifikací, kterou je třeba zvážit, kvantová účinnost (QE) požadovaná pro vaše specifické potřeby. Kvantová účinnost vyjadřuje, jak efektivně dokáže senzor převést přicházející světlo na elektrické signály.
FSI senzorymůže být dostatečné pro aplikace, kde je prioritou nákladová efektivita a požadovaná úroveň citlivosti na světlo je střední.
Senzory BSI, i když jsou dražší, jsou ideální pro aplikace, kde je vysoká citlivost klíčová, zejména za špatných světelných podmínek.
Pochopení kvantové účinnosti požadované pro vaši aplikaci vám může pomoci určit, zda je lepší volbou architektura senzoru FSI nebo BSI.
Závěr
Senzory FSI i BSI se široce používají v moderních vědeckých zobrazovacích kamerách a každý z nich nabízí v závislosti na aplikaci odlišné výhody. Senzory FSI představují cenově efektivní a vyspělé řešení pro mnoho zobrazovacích systémů, kde jsou stabilní světelné podmínky a není vyžadována extrémní citlivost.
Senzory BSI jsou na druhou stranu navrženy tak, aby maximalizovaly detekci fotonů a poskytovaly vyšší kvantovou efektivitu (QE) a citlivost, což je činí ideálními pro náročné aplikace za slabého osvětlení, jako je fluorescenční mikroskopie a další vědecké zobrazovací úlohy.
Společnost Tucsen nabízí řadu sCMOS kamer FSI a BSI určených pro různé požadavky na zobrazování, což pomáhá výzkumníkům vybrat nejvhodnější architekturu senzorů pro jejich specifické aplikace.
Doporučení pro kamery Tucsen FSI CMOS a BSI sCMOS
| Typ kamery | BSI sCMOS | FSI sCMOS |
| Vysoká citlivost | Dhjána 95V2 Dhyana 400BSIV2 Dhyana 9KTDI
| Dhyana 400D Dhyana 400DC |
| Velký formát | Dhyana 6060BSI Dhyana 4040BSI | Dhjána 6060 Dhjána 4040 |
| Kompaktní design | —— | Dhjána 401D Dhjána 201D |
Tucsen Photonics Co., Ltd. Všechna práva vyhrazena. Při citaci prosím uveďte zdroj:www.tucsen.com
