25/03/2022Nelle telecamere per immagini scientifiche,architettura dei sensorisvolge un ruolo fondamentale nel determinare la qualità dell'immagine, la sensibilità e le prestazioni complessive. La maggior parte delle moderne fotocamere ad alte prestazioni utilizzaCMOS (Semiconduttore a ossido di metallo complementare)tecnologia per la matrice di pixel fotosensibili che forma l'immagine.
Nell'ambito della tecnologia dei sensori CMOS, esistono due architetture di illuminazione principali:Illuminazione frontale (FSI)ESensori retroilluminati (BSI)Sebbene entrambi i modelli siano ampiamente utilizzati nelle fotocamere scientifiche, differiscono nel modo in cui la luce incidente raggiunge i fotodiodi del sensore.
Comprendere le differenze traSensori sCMOS FSI e BSIpuò aiutare ricercatori e ingegneri a scegliere la fotocamera più adatta per applicazioni quali microscopia, imaging in condizioni di scarsa illuminazione e altre misurazioni scientifiche impegnative.
Che cosa sono i sensori sCMOS FSI e BSI?
Il modello del sensore si riferisce al tipo di tecnologia del sensore fotografico utilizzata nei dispositivi di imaging. Nei sistemi di imaging scientifico, il sensore svolge un ruolo fondamentale nel catturare la luce in arrivo e convertirla in segnali elettrici che formano l'immagine finale.
La maggior parte modernatelecamere scientificheutilizzareCMOSTecnologia per array di pixel fotosensibili. I sensori CMOS sono diventati lo standard industriale per l'imaging ad alte prestazioni e sono ampiamente utilizzati in microscopia, ricerca nelle scienze biologiche e applicazioni di ispezione industriale.
Nell'ambito della tecnologia dei sensori CMOS, esistono due principali architetture di illuminazione utilizzate nelle fotocamere moderne:Sensori FSIESensori BSISebbene entrambi i tipi si basino sulla stessa tecnologia di imaging CMOS, differiscono nel modo in cui la luce attraversa la struttura del sensore prima di raggiungere il silicio fotorilevatore.
Comprendere questa differenza strutturale è fondamentale per spiegare perchéI sensori BSI spesso offrono una maggiore sensibilità, in particolare negli ambienti di imaging scientifico con scarsa illuminazione.
Come funzionano i sensori a illuminazione frontale (FSI)?
Sensori FSI—noti anche comesensori frontalmente illuminati (FI)—sono l'architettura del sensore CMOS più comune utilizzata nei moderni sistemi di imaging. Questo design è ampiamente adottato principalmente perché èpiù semplice ed economico da produrre.
In un sensore FSI, il cablaggio e i transistor che controllano ciascun pixel sono posizionatisopra lo strato di silicio fotosensibileI fotoni in arrivo devono quindi attraversare questo strato di elettronica prima di raggiungere i fotodiodi che rilevano la luce. Se un fotone colpisce questi componenti, può essereassorbito o diffuso, impedendogli di raggiungere la regione fotosensibile.
Questa struttura riduce ilfattore di riempimentodi ogni pixel e riduce l'efficaciaEfficienza quantistica(QE)—la probabilità che un fotone in arrivo venga rilevato. Di conseguenza, i sensori FSI generalmente offronominore sensibilità, in particolare in ambienti di ripresa con scarsa illuminazione.
Dettagli
●Più semplice da produrre– I sensori FSI sono più facili da produrre perché la struttura del sensore non richiede l'assottigliamento del substrato di silicio.
●Minori costi di produzione– Il processo di fabbricazione più semplice rende i sensori illuminati frontalmente più convenienti.
Svantaggi
●Minore sensibilità– Il cablaggio e i componenti elettronici si trovano sopra il silicio fotosensibile, il che significa che alcuni fotoni in arrivo potrebbero essere bloccati prima di raggiungere il fotodiodo.
Figura 1: Struttura dei pixel illuminati frontalmente e posteriormente.
Vista laterale della struttura dei pixel per sensori a illuminazione frontale (a sinistra) e sensori a illuminazione posteriore (a destra). La parte anteriore è mostrata con o senza filtri colorati, la parte posteriore con o senza microlenti. Per la spiegazione dei componenti, consultare il testo principale.
Come funzionano i sensori retroilluminati (BSI)?
I sensori BSI utilizzano un'architettura diversa progettata per migliorare l'efficienza di raccolta della luce. In questo progetto, la struttura del sensore è effettivamenteinvertito, consentendo ai fotoni di raggiungere direttamente il silicio fotosensibile senza prima passare attraverso cablaggi o transistor.
Per ottenere questa configurazione, il silicio di massa che supporta lo strato fotosensibile deve esserediluito meccanicamente o chimicamente, un processo spesso indicato comediradamento posterioreQuesta fase di produzione consente alla luce di penetrare fino ai fotodiodi, ma rende anche il processo di fabbricazione più complesso.
Poiché lo strato di cablaggio è posizionato dietro il fotodiodo, il pixelIl fattore di riempimento si avvicina al 100%, consentendo il rilevamento di una proporzione molto maggiore di fotoni in ingresso. Di conseguenza, i sensori BSI possono raggiungereQE molto elevato—in alcuni casi raggiungendo90–95%—il che migliora significativamente la sensibilità nelle immagini scattate in condizioni di scarsa illuminazione.
Dettagli
●Maggiore sensibilità– Senza cavi che ostruiscono il percorso della luce, un maggior numero di fotoni raggiunge i fotodiodi, migliorando il rilevamento del segnale.
●Prestazioni migliorate in condizioni di scarsa illuminazione– I sensori BSI sono particolarmente efficaci nelle applicazioni in cui è fondamentale catturare segnali deboli o dettagli fini.
Svantaggi
●Costi più elevati e complessità di produzione– Il processo di assottigliamento dei wafer necessario per i sensori BSI aumenta la difficoltà di fabbricazione e i costi di produzione.
Principali differenze tra sensori sCMOS FSI e BSI
Sebbene i sensori FSI e BSI siano basati sulla stessa tecnologia di imaging CMOS, le loro strutture interne comportano importanti differenze in termini di prestazioni, sensibilità e complessità di produzione.
La differenza principale risiede nel modo in cui la luce raggiunge il fotodiodo. Nei sensori FSI, i fotoni in arrivo devono attraversare strati di cablaggi e componenti elettronici prima di raggiungere il silicio fotosensibile. Nei sensori BSI, la struttura del sensore è invertita in modo che i fotoni colpiscano direttamente il fotodiodo, migliorando l'efficienza di raccolta della luce.
Questa modifica architettonica aumenta il fattore di riempimento e migliora significativamente l'efficienza quantica (QE), consentendo ai sensori BSI di rilevare un maggior numero di fotoni in ingresso, soprattutto in condizioni di scarsa illuminazione. Tuttavia, questo miglioramento delle prestazioni comporta un processo di produzione più complesso.
| Caratteristica | Sensori sCMOS FSI | Sensori sCMOS BSI |
| Struttura del sensore | Cablaggio sopra il fotodiodo | Cablaggio dietro il fotodiodo |
| percorso luminoso | Parzialmente bloccato da dispositivi elettronici | Percorso diretto al fotodiodo |
| fattore di riempimento | Ridotto dagli strati di cablaggio | Vicino al 100% |
| Efficienza quantistica | Moderare | Molto elevato (fino a circa il 95%) |
| Sensibilità | Minore nelle immagini in condizioni di scarsa illuminazione | Maggiore sensibilità |
| costo di produzione | Inferiore | Più alto |
A causa di queste differenze, la scelta tra sensori FSI e BSI dipende spesso dal compromesso tra i requisiti di prestazione e il costo del sistema.
Come scegliere tra sensori FSI e BSI
Quando si sceglie tra sensori a illuminazione frontale (FSI) e a illuminazione posteriore (BSI) per la propria applicazione di imaging, la specifica più importante da considerare è l'efficienza quantica (QE) richiesta per le proprie esigenze specifiche. L'efficienza quantica si riferisce all'efficacia con cui un sensore è in grado di convertire la luce incidente in segnali elettrici.
Sensori FSIpuò essere sufficiente per applicazioni in cui la convenienza economica è la priorità e il livello di sensibilità alla luce richiesto è moderato.
Sensori BSISebbene più costose, sono ideali per applicazioni in cui l'elevata sensibilità è fondamentale, soprattutto in condizioni di scarsa illuminazione.
Comprendere l'efficienza quantica richiesta per la propria applicazione può aiutare a determinare se un'architettura di sensore FSI o BSI sia la scelta migliore.
Conclusione
Sia i sensori FSI che BSI sono ampiamente utilizzati nelle moderne fotocamere per immagini scientifiche, ognuno dei quali offre vantaggi specifici a seconda dell'applicazione. I sensori FSI rappresentano una soluzione economica e collaudata per molti sistemi di imaging in cui le condizioni di illuminazione sono stabili e non è richiesta una sensibilità estrema.
I sensori BSI, d'altro canto, sono progettati per massimizzare il rilevamento dei fotoni e offrire maggiore efficienza quantica e sensibilità, risultando ideali per applicazioni impegnative in condizioni di scarsa illuminazione, come la microscopia a fluorescenza e altre attività di imaging scientifico.
Tucsen offre una gamma di telecamere sCMOS FSI e BSI progettate per diverse esigenze di imaging, aiutando i ricercatori a scegliere l'architettura del sensore più adatta alle loro specifiche applicazioni.
Raccomandazioni di Tucsen per le fotocamere CMOS e sCMOS di FSI e BSI
| Tipo di fotocamera | BSI sCMOS | FSI sCMOS |
| Alta sensibilità | Dhyana 95V2 Dhyana 400BSIV2 Dhyana 9KTDI
| Dhyana 400D Dhyana 400DC |
| Formato grande | Dhyana 6060BSI Dhyana 4040BSI | Dhyana 6060 Dhyana 4040 |
| Design compatto | — | Dhyana 401D Dhyana 201D |
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