В чём разница между FSI sCMOS и BSI sCMOS?

В научных камерах для получения изображенийархитектура датчикаиграет решающую роль в определении качества изображения, чувствительности и общей производительности. Большинство современных высокопроизводительных камер используютCMOS (комплементарная металл-оксидная полупроводниковая технология)технология для светочувствительной пиксельной матрицы, формирующей изображение.

В технологии CMOS-сенсоров существует две основные архитектуры освещения:Фронтальная подсветка (FSI)иДатчики с задней подсветкой (BSI)Хотя обе конструкции широко используются в научных камерах, они различаются способом попадания падающего света на фотодиоды сенсора.

Понимание различий междуFSI и BSI sCMOS датчикиможет помочь исследователям и инженерам выбрать наиболее подходящую камеру для таких задач, как микроскопия, съемка в условиях низкой освещенности и другие сложные научные измерения.

Что такое датчики FSI и BSI sCMOS?

Модель сенсора обозначает тип технологии сенсора камеры, используемой в устройствах обработки изображений. В научных системах визуализации сенсор играет решающую роль в захвате поступающего света и преобразовании его в электрические сигналы, формирующие итоговое изображение.

Самый современныйнаучные камерыиспользоватьКМОПТехнология для светочувствительных пиксельных матриц. CMOS-сенсоры стали отраслевым стандартом для высокопроизводительной визуализации и широко используются в микроскопии, биологических исследованиях и промышленном контроле.

В технологии CMOS-сенсоров в современных камерах используются две основные архитектуры освещения:датчики FSIидатчики BSIХотя оба типа основаны на одной и той же технологии CMOS-изображения, они различаются тем, как свет проходит через структуру сенсора, прежде чем достичь светочувствительного кремния.

Понимание этого структурного различия является ключом к объяснению причин.Датчики BSI часто обладают более высокой чувствительностью.особенно в условиях низкой освещенности при проведении научных исследований.

Как работают датчики с фронтальной подсветкой (FSI)?

Датчики FSI — также известные какдатчики с фронтальной подсветкой (FI)— являются наиболее распространенной архитектурой CMOS-сенсоров, используемой в современных системах обработки изображений. Эта конструкция широко распространена в первую очередь потому, что онапроще и экономичнее в производстве.

В датчике FSI размещаются проводники и транзисторы, управляющие каждым пикселем.над светочувствительным кремниевым слоемТаким образом, поступающие фотоны должны пройти через этот слой электроники, прежде чем достигнут фотодиодов, которые регистрируют свет. Если фотон попадает на эти компоненты, он может бытьпоглощенный или рассеянный, предотвращая его попадание в светочувствительную область.

Эта структура уменьшаеткоэффициент заполнениякаждого пикселя и снижает эффективное значениеКвантовая эффективность(Кв.Э)— вероятность того, что входящий фотон будет обнаружен. В результате датчики FSI обычно предлагаютболее низкая чувствительностьособенно в условиях низкой освещенности при съемке.

Преимущества

●Проще в производстве– Датчики FSI проще в производстве, поскольку структура датчика не требует истончения кремниевой подложки.

●Снижение производственных затрат– Более простой процесс изготовления делает датчики с фронтальной подсветкой более экономически выгодными.

Недостатки

●Более низкая чувствительность– Проводка и электронные компоненты расположены над кремниевым детектором света, а это значит, что часть поступающих фотонов может быть заблокирована до того, как достигнет фотодиода.

Вид сбоку на структуру пикселей для датчиков с фронтальной подсветкой (слева) и датчиков с задней подсветкой (справа).

Рисунок 1: Структура пикселей с фронтальной и задней подсветкой

Вид сбоку пиксельной структуры для датчиков с фронтальной подсветкой (слева) и датчиков с задней подсветкой (справа). Фронтальная сторона показана с цветовыми фильтрами или без них, задняя — с микролинзами или без них. Пояснение компонентов см. в основном тексте.

Как работают датчики с задней подсветкой (BSI)?

В датчиках BSI используется другая архитектура, разработанная для повышения эффективности сбора света. В этой конструкции структура датчика эффективноперевернутыйЭто позволяет фотонам достигать светочувствительного кремния напрямую, минуя проводку или транзисторы.

Для достижения такой конфигурации необходимо, чтобы основной кремниевый слой, поддерживающий светочувствительный слой, былмеханически или химически разбавленный, процесс, который часто называютистончение спиныЭтот этап производства позволяет свету проникать к фотодиодам, но также усложняет процесс изготовления.

Поскольку слой проводников расположен за фотодиодом, пиксельКоэффициент заполнения приближается к 100%.что позволяет регистрировать гораздо большую долю поступающих фотонов. В результате датчики BSI могут достигатьочень высокий QE—в некоторых случаях достигая90–95%—что значительно повышает чувствительность при съемке в условиях низкой освещенности.

Преимущества

●Повышенная чувствительность– Благодаря отсутствию проводов, блокирующих путь света, больше фотонов достигает фотодиодов, что улучшает обнаружение сигнала.

●Улучшенная производительность в условиях низкой освещенности.– Датчики BSI особенно эффективны в тех областях применения, где критически важно улавливать слабые сигналы или мелкие детали.

Недостатки

●Более высокая стоимость и сложность производства.– Процесс утонения пластин, необходимый для датчиков BSI, усложняет изготовление и увеличивает себестоимость производства.

Основные различия между датчиками FSI и BSI sCMOS

Хотя датчики FSI и BSI основаны на одной и той же технологии обработки изображений CMOS, их внутренняя структура приводит к существенным различиям в производительности, чувствительности и сложности изготовления.

Основное различие заключается в способе попадания света на фотодиод. В датчиках FSI входящие фотоны должны пройти через слои проводников и электроники, прежде чем достигнут светочувствительного кремния. В датчиках BSI структура датчика инвертирована, так что фотоны попадают на фотодиод напрямую, что повышает эффективность сбора света.

Это архитектурное изменение увеличивает коэффициент заполнения и значительно улучшает квантовую эффективность, позволяя датчикам BSI обнаруживать больше поступающих фотонов, особенно в условиях низкой освещенности. Однако это улучшение характеристик достигается за счет усложнения производственного процесса.

Особенность	FSI sCMOS-датчики	BSI sCMOS-датчики
Структура датчика	Проводка над фотодиодом	Проводка за фотодиодом
Световой путь	Частично заблокировано электроникой	Прямой путь к фотодиоду
Коэффициент заполнения	Уменьшено за счет слоев проводки.	Почти 100%
Квантовая эффективность	Умеренный	Очень высокий (до ~95%)
Чувствительность	Более низкий уровень при съемке в условиях низкой освещенности.	Повышенная чувствительность
себестоимость производства	Ниже	Выше

Из-за этих различий выбор между датчиками FSI и BSI часто зависит от баланса между требованиями к производительности и стоимостью системы.

Выбор между датчиками FSI и BSI

При выборе между датчиками с фронтальной (FSI) и тыльной (BSI) подсветкой для ваших задач обработки изображений, наиболее важной характеристикой, которую следует учитывать, является требуемая квантовая эффективность (QE). Квантовая эффективность показывает, насколько эффективно датчик преобразует поступающий свет в электрические сигналы.

датчики FSIЭто может быть достаточно для применений, где приоритетом является экономическая эффективность, а требуемый уровень светочувствительности умеренный.

датчики BSIХотя они и дороже, они идеально подходят для применений, где высокая чувствительность имеет решающее значение, особенно в условиях низкой освещенности.

Понимание требуемой квантовой эффективности для вашего приложения поможет определить, какая архитектура датчика — FSI или BSI — является лучшим выбором.

Заключение

Как датчики FSI, так и датчики BSI широко используются в современных научных камерах для получения изображений, каждый из которых предлагает свои преимущества в зависимости от области применения. Датчики FSI представляют собой экономичное и отработанное решение для многих систем получения изображений, где условия освещения стабильны и не требуется экстремальная чувствительность.

С другой стороны, датчики BSI разработаны для максимального обнаружения фотонов и обеспечения более высокой квантовой эффективности и чувствительности, что делает их идеальными для сложных задач, требующих низкой освещенности, таких как флуоресцентная микроскопия и другие задачи научной визуализации.

Компания Tucsen предлагает широкий ассортимент sCMOS-камер с интерфейсами FSI и BSI, разработанных для различных задач визуализации, что помогает исследователям выбрать наиболее подходящую архитектуру сенсора для их конкретных приложений.

Рекомендации по камерам Tucsen FSI CMOS и BSI sCMOS

Тип камеры	BSI sCMOS	FSI sCMOS
Высокая чувствительность	Дхьяна 95В2 Дхьяна 400BSIV2 Дхьяна 9KTDI	Дхьяна 400Д Дхьяна 400DC
Большой формат	Дхьяна 6060BSI Дхьяна 4040BSI	Дхьяна 6060 Дхьяна 4040
Компактный дизайн	——	Дхьяна 401D Дхьяна 201D