2022/03/25W naukowych kamerach obrazowycharchitektura czujnikaodgrywa kluczową rolę w określaniu jakości obrazu, czułości i ogólnej wydajności. Większość nowoczesnych aparatów o wysokiej wydajności wykorzystujeCMOS (uzupełniający półprzewodnik metalowo-tlenkowy)technologia światłoczułej matrycy pikseli, z której powstaje obraz.
W technologii czujników CMOS wyróżnia się dwie podstawowe architektury oświetlenia:Podświetlenie z przodu (FSI)ICzujniki z podświetleniem tylnym (BSI)Chociaż oba projekty są powszechnie stosowane w aparatach naukowych, różnią się sposobem, w jaki światło pada na fotodiody czujnika.
Zrozumienie różnic międzyCzujniki sCMOS FSI i BSImoże pomóc badaczom i inżynierom wybrać kamerę najbardziej odpowiednią do takich zastosowań jak mikroskopia, obrazowanie w warunkach słabego oświetlenia i inne wymagające pomiary naukowe.
Czym są czujniki sCMOS FSI i BSI?
Model czujnika odnosi się do rodzaju technologii czujników kamer stosowanych w urządzeniach do obrazowania. W naukowych systemach obrazowania czujnik odgrywa kluczową rolę w przechwytywaniu padającego światła i przekształcaniu go w sygnały elektryczne, które tworzą ostateczny obraz.
Najnowocześniejszykamery naukowewykorzystaćCMOSTechnologia matrycy pikseli światłoczułych. Czujniki CMOS stały się standardem branżowym w zakresie obrazowania o wysokiej wydajności i są szeroko stosowane w mikroskopii, badaniach nauk przyrodniczych i zastosowaniach kontroli przemysłowej.
W technologii czujników CMOS w nowoczesnych aparatach fotograficznych stosuje się dwie główne architektury oświetlenia:Czujniki FSIICzujniki BSIChociaż oba typy bazują na tej samej technologii obrazowania CMOS, różnią się sposobem, w jaki światło przechodzi przez strukturę czujnika, zanim dotrze do wykrywającego światło krzemu.
Zrozumienie tej różnicy strukturalnej jest kluczowe dla wyjaśnienia, dlaczegoCzujniki BSI często zapewniają wyższą czułość, szczególnie w warunkach słabego oświetlenia wykorzystywanych w celach naukowych.
Jak działają czujniki FSI (Front-Side Illumination)?
Czujniki FSI, znane również jakoczujniki z oświetleniem przednim (FI)— to najpopularniejsza architektura czujników CMOS stosowana w nowoczesnych systemach obrazowania. Konstrukcja ta jest szeroko stosowana głównie dlatego, żeprostsze i bardziej ekonomiczne w produkcji.
W czujniku FSI okablowanie i tranzystory sterujące każdym pikselem są umieszczonenad warstwą krzemu światłoczułego. Nadchodzące fotony muszą zatem przejść przez tę warstwę elektroniki, zanim dotrą do fotodiod wykrywających światło. Jeśli foton uderzy w te elementy, może to byćwchłonięte lub rozproszone, uniemożliwiając mu dotarcie do obszaru wrażliwego na światło.
Ta struktura redukujewspółczynnik wypełnieniakażdego piksela i obniża efektywnyWydajność kwantowa(QE)—prawdopodobieństwo wykrycia nadchodzącego fotonu. W rezultacie czujniki FSI zazwyczaj oferująniższa wrażliwość, szczególnie w warunkach słabego oświetlenia.
Zalety
●Łatwiejsze w produkcji– Czujniki FSI są łatwiejsze w produkcji, ponieważ struktura czujnika nie wymaga ścieniania podłoża krzemowego.
●Niższe koszty produkcji– Prostszy proces produkcji sprawia, że czujniki z podświetleniem przednim są bardziej ekonomiczne.
Wady
●Niższa czułość– Przewody i elementy elektroniczne znajdują się nad krzemem wykrywającym światło, co oznacza, że niektóre wpadające fotony mogą zostać zablokowane przed dotarciem do fotodiody.
Rysunek 1: Struktura pikseli oświetlonych od przodu i od tyłu
Widok z boku struktury pikseli dla czujników z podświetleniem przednim (po lewej) i tylnym (po prawej). Przód pokazany z filtrami kolorów lub bez, tył z mikrosoczewkami lub bez. Wyjaśnienie komponentów znajduje się w tekście głównym.
Jak działają czujniki BSI (Back-Side Illumination)?
Czujniki BSI wykorzystują inną architekturę, mającą na celu poprawę wydajności zbierania światła. W tej konstrukcji struktura czujnika jest efektywnieodwrotny, co pozwala fotonom dotrzeć bezpośrednio do światłoczułego krzemu, bez konieczności przechodzenia przez okablowanie lub tranzystory.
Aby osiągnąć tę konfigurację, krzem w masie podtrzymujący warstwę światłoczułą musi byćrozcieńczane mechanicznie lub chemicznie, proces często określany jakoprzerzedzanie plecówTen etap produkcyjny pozwala światłu przenikać do fotodiod, ale jednocześnie sprawia, że proces wytwarzania jest bardziej złożony.
Ponieważ warstwa okablowania jest umieszczona za fotodiodą, pikselwspółczynnik wypełnienia zbliża się do 100%, co pozwala na wykrycie znacznie większej części nadchodzących fotonów. W rezultacie czujniki BSI mogą osiągnąćbardzo wysoki QE—w niektórych przypadkach osiągając90–95%—co znacząco poprawia czułość obrazowania w warunkach słabego oświetlenia.
Zalety
●Wyższa czułość– Brak okablowania blokującego ścieżkę światła sprawia, że do fotodiod dociera więcej fotonów, co poprawia wykrywanie sygnału.
●Lepsza wydajność w warunkach słabego oświetlenia– Czujniki BSI są szczególnie skuteczne w zastosowaniach, w których kluczowe znaczenie ma rejestrowanie słabych sygnałów lub drobnych szczegółów.
Wady
●Wyższe koszty i złożoność produkcji– Proces ścieniania płytek wymagany w przypadku czujników BSI zwiększa trudność produkcji i jej koszty.
Kluczowe różnice między czujnikami sCMOS FSI i BSI
Mimo że oba czujniki FSI i BSI bazują na tej samej technologii obrazowania CMOS, ich wewnętrzna struktura powoduje istotne różnice w wydajności, czułości i złożoności produkcji.
Podstawowa różnica polega na sposobie, w jaki światło dociera do fotodiody. W czujnikach FSI fotony muszą przejść przez warstwy okablowania i elektroniki, zanim dotrą do światłoczułego krzemu. W czujnikach BSI struktura czujnika jest odwrócona, dzięki czemu fotony uderzają bezpośrednio w fotodiodę, co poprawia wydajność zbierania światła.
Ta zmiana architektoniczna zwiększa współczynnik wypełnienia i znacząco poprawia kwantyzację kwantową (QE), umożliwiając czujnikom BSI wykrywanie większej liczby fotonów – szczególnie w warunkach słabego oświetlenia. Jednak ta poprawa wydajności wiąże się z koniecznością bardziej złożonego procesu produkcyjnego.
| Funkcja | Czujniki FSI sCMOS | Czujniki BSI sCMOS |
| Struktura czujnika | Podłączenie powyżej fotodiody | Okablowanie za fotodiodą |
| Ścieżka światła | Częściowo zablokowane przez elektronikę | Bezpośrednia ścieżka do fotodiody |
| Współczynnik wypełnienia | Zredukowane przez warstwy okablowania | Blisko 100% |
| Wydajność kwantowa | Umiarkowany | Bardzo wysoki (do ~95%) |
| Wrażliwość | Niższy poziom w obrazowaniu przy słabym oświetleniu | Wyższa czułość |
| Koszt produkcji | Niżej | Wyższy |
Ze względu na te różnice wybór pomiędzy czujnikami FSI i BSI często zależy od równowagi pomiędzy wymaganiami dotyczącymi wydajności i kosztami systemu.
Wybór między czujnikami FSI i BSI
Wybierając między czujnikami z oświetleniem front-side (FSI) a tylnym (BSI) do zastosowań obrazowania, najważniejszą specyfikacją, którą należy wziąć pod uwagę, jest wydajność kwantowa (QE) wymagana dla konkretnych potrzeb. Wydajność kwantowa (QE) określa, jak skutecznie czujnik może przekształcić światło padające na sygnały elektryczne.
Czujniki FSImoże być wystarczające w zastosowaniach, w których priorytetem jest opłacalność, a wymagany poziom czułości na światło jest umiarkowany.
Czujniki BSI, choć droższe, idealnie nadają się do zastosowań, w których wysoka czułość ma kluczowe znaczenie, szczególnie w warunkach słabego oświetlenia.
Zrozumienie wymaganej dla danego zastosowania wydajności kwantowej może pomóc w ustaleniu, czy lepszym wyborem będzie architektura czujnika FSI czy BSI.
Wniosek
Zarówno czujniki FSI, jak i BSI są szeroko stosowane w nowoczesnych naukowych kamerach obrazowych, oferując różne zalety w zależności od zastosowania. Czujniki FSI stanowią ekonomiczne i sprawdzone rozwiązanie dla wielu systemów obrazowania, w których warunki oświetleniowe są stabilne i nie jest wymagana ekstremalna czułość.
Z drugiej strony czujniki BSI zaprojektowano tak, aby zmaksymalizować wykrywanie fotonów i zapewnić wyższą wydajność kwantową oraz czułość, dzięki czemu idealnie nadają się do wymagających zastosowań w warunkach słabego oświetlenia, takich jak mikroskopia fluorescencyjna i inne zadania związane z obrazowaniem naukowym.
Tucsen oferuje szereg kamer FSI i BSI sCMOS zaprojektowanych do różnych wymagań obrazowania, pomagając badaczom wybrać najbardziej odpowiednią architekturę czujnika do ich konkretnych zastosowań.
Zalecenia dotyczące kamer Tucsen FSI CMOS i BSI sCMOS
| Typ aparatu | BSI sCMOS | FSI sCMOS |
| Wysoka czułość | Dhyana 95V2 Dhyana 400BSIV2 Dhyana 9KTDI
| Dhyana 400D Dhyana 400DC |
| Duży format | Dhyana 6060BSI Dhyana 4040BSI | Dhyana 6060 Dhyana 4040 |
| Kompaktowa konstrukcja | —— | Dhyana 401D Dhyana 201D |
Tucsen Photonics Co., Ltd. Wszelkie prawa zastrzeżone. Przy cytowaniu prosimy o podanie źródła:www.tucsen.com
