2022/03/25I vetenskapliga bildkameror, densensorarkitekturspelar en avgörande roll för att bestämma bildkvalitet, känslighet och övergripande prestanda. De flesta moderna högpresterande kameror använderCMOS (komplementär metalloxidhalvledare)teknik för den ljuskänsliga pixeluppsättningen som bildar bilden.
Inom CMOS-sensorteknik finns det två primära belysningsarkitekturer:Framsida belyst (FSI)ochBakbelysta sensorer (BSI)Även om båda designerna används flitigt i vetenskapliga kameror, skiljer de sig åt i hur inkommande ljus når sensorns fotodioder.
Att förstå skillnaderna mellanFSI- och BSI sCMOS-sensorerkan hjälpa forskare och ingenjörer att välja den lämpligaste kameran för tillämpningar som mikroskopi, avbildning i svagt ljus och andra krävande vetenskapliga mätningar.
Vad är FSI- och BSI sCMOS-sensorer?
Sensormodellen hänvisar till den typ av kamerasensorteknik som används i bildenheter. I vetenskapliga bildsystem spelar sensorn en avgörande roll för att fånga inkommande ljus och omvandla det till elektriska signaler som bildar den slutliga bilden.
Mest modernavetenskapliga kamerorutnyttjaCMOSteknik för den ljuskänsliga pixeluppsättningen. CMOS-sensorer har blivit branschstandarden för högpresterande avbildning och används ofta inom mikroskopi, biovetenskaplig forskning och industriella inspektionstillämpningar.
Inom CMOS-sensortekniken finns det två huvudsakliga belysningsarkitekturer som används i moderna kameror:FSI-sensorerochBSI-sensorerÄven om båda typerna är baserade på samma CMOS-bildteknik, skiljer de sig åt i hur ljus färdas genom sensorstrukturen innan det når det ljusdetekterande kislet.
Att förstå denna strukturella skillnad är nyckeln till att förklara varförBSI-sensorer ger ofta högre känslighet, särskilt i miljöer med svagt ljus för vetenskaplig avbildning.
Hur fungerar framåtbelysta sensorer (FSI)?
FSI-sensorer – även kända somfrontbelysta (FI) sensorer—är den vanligaste CMOS-sensorarkitekturen som används i moderna bildsystem. Denna design är allmänt använd främst för att den ärenklare och mer kostnadseffektiva att tillverka.
I en FSI-sensor är ledningarna och transistorerna som styr varje pixel placeradeovanför det ljuskänsliga kiselskiktetInkommande fotoner måste därför passera genom detta elektroniklager innan de når fotodioderna som detekterar ljus. Om en foton träffar dessa komponenter kan det varaabsorberad eller spridd, vilket hindrar den från att nå det ljuskänsliga området.
Denna struktur minskarfyllningsfaktorför varje pixel och sänker den effektivaKvanteffektivitet(QE)—sannolikheten att en inkommande foton kommer att detekteras. Som ett resultat erbjuder FSI-sensorer generelltlägre känslighet, särskilt i miljöer med svagt ljus.
Fördelar
●Enklare att tillverka– FSI-sensorer är enklare att tillverka eftersom sensorstrukturen inte kräver att kiselsubstratet tunnas ut.
●Lägre tillverkningskostnad– Den enklare tillverkningsprocessen gör framifrån belysta sensorer mer kostnadseffektiva.
Nackdelar
●Lägre känslighet– Ledningar och elektroniska komponenter sitter ovanför det ljusdetekterande kislet, vilket innebär att vissa inkommande fotoner kan blockeras innan de når fotodioden.
Figur 1: Fram- och bakbelyst pixelstruktur
Sidovy av pixelstrukturen för frambelysta sensorer (vänster) och bakbelysta sensorer (höger). Framsidan visas med eller utan färgfilter, baksidan med eller utan mikrolinser. Se huvudtexten för förklaring av komponenterna.
Hur fungerar bakbelysta sensorer (BSI)?
BSI-sensorer använder en annan arkitektur utformad för att förbättra ljusinsamlingseffektiviteten. I denna design är sensorstrukturen effektivtomvänd, vilket gör att fotoner kan nå det ljuskänsliga kislet direkt utan att först passera genom ledningar eller transistorer.
För att uppnå denna konfiguration måste det stora kislet som stöder det ljuskänsliga lagret varamekaniskt eller kemiskt uttunnad, en process som ofta kallasryggförtunningDetta tillverkningssteg tillåter ljus att tränga in i fotodioderna men gör också tillverkningsprocessen mer komplex.
Eftersom ledningslagret är placerat bakom fotodioden, pixelnfyllnadsfaktorn närmar sig 100 %, vilket gör att en mycket större andel inkommande fotoner kan detekteras. Som ett resultat kan BSI-sensorer uppnåmycket hög kvantitativ lättnad—i vissa fall når90–95 %—vilket avsevärt förbättrar känsligheten vid bildtagning i svagt ljus.
Fördelar
●Högre känslighet– Utan kablar som blockerar ljusvägen når fler fotoner fotodioderna, vilket förbättrar signaldetekteringen.
●Förbättrad prestanda i svagt ljus– BSI-sensorer är särskilt effektiva i tillämpningar där det är avgörande att fånga svaga signaler eller fina detaljer.
Nackdelar
●Högre kostnad och tillverkningskomplexitet– Den waferförtunning som krävs för BSI-sensorer ökar tillverkningssvårigheterna och produktionskostnaderna.
Viktiga skillnader mellan FSI- och BSI sCMOS-sensorer
Även om både FSI- och BSI-sensorer är baserade på samma CMOS-bildteknik, leder deras interna strukturer till viktiga skillnader i prestanda, känslighet och tillverkningskomplexitet.
Den primära skillnaden ligger i hur ljuset når fotodioden. I FSI-sensorer måste inkommande fotoner passera genom lager av ledningar och elektronik innan de når det ljuskänsliga kislet. I BSI-sensorer är sensorstrukturen inverterad så att fotoner träffar fotodioden direkt, vilket förbättrar ljusinsamlingseffektiviteten.
Denna arkitekturförändring ökar fyllnadsfaktorn och förbättrar QE avsevärt, vilket gör att BSI-sensorer kan detektera fler inkommande fotoner – särskilt i svagt ljus. Denna prestandaförbättring sker dock på bekostnad av en mer komplex tillverkningsprocess.
| Särdrag | FSI sCMOS-sensorer | BSI sCMOS-sensorer |
| Sensorstruktur | Ledningar ovanför fotodioden | Ledningar bakom fotodioden |
| Ljusstig | Delvis blockerad av elektronik | Direkt väg till fotodiod |
| Fyllningsfaktor | Minskad med ledningslager | Nära 100 % |
| Kvanteffektivitet | Måttlig | Mycket hög (upp till ~95%) |
| Känslighet | Lägre vid fotografering i svagt ljus | Högre känslighet |
| Tillverkningskostnad | Lägre | Högre |
På grund av dessa skillnader beror valet mellan FSI- och BSI-sensorer ofta på balansen mellan prestandakrav och systemkostnad.
Att välja mellan FSI- och BSI-sensorer
När du väljer mellan framsidesbelysta (FSI) och baksidesbelysta (BSI) sensorer för din bildapplikation är den viktigaste specifikationen att överväga den kvantitetseffektivitet som krävs för dina specifika behov. Kvanteffektivitet hänvisar till hur effektivt en sensor kan omvandla inkommande ljus till elektriska signaler.
FSI-sensorerkan vara tillräckligt för tillämpningar där kostnadseffektivitet är prioriterad och den erforderliga ljuskänslighetsnivån är måttlig.
BSI-sensorer, även om de är dyrare, är idealiska för tillämpningar där hög känslighet är avgörande, särskilt i svagt ljus.
Att förstå den kvanteffektivitet som krävs för din applikation kan hjälpa till att avgöra om en FSI- eller BSI-sensorarkitektur är det bättre valet.
Slutsats
Både FSI- och BSI-sensorer används flitigt i moderna vetenskapliga bildkameror, och var och en erbjuder tydliga fördelar beroende på tillämpning. FSI-sensorer ger en kostnadseffektiv och mogen lösning för många bildsystem där ljusförhållandena är stabila och extrem känslighet inte krävs.
BSI-sensorer, å andra sidan, är utformade för att maximera fotondetektering och leverera högre QE och känslighet, vilket gör dem idealiska för krävande tillämpningar i svagt ljus, såsom fluorescensmikroskopi och andra vetenskapliga avbildningsuppgifter.
Tucsen erbjuder ett utbud av FSI- och BSI sCMOS-kameror utformade för olika bildkrav, vilket hjälper forskare att välja den mest lämpliga sensorarkitekturen för sina specifika tillämpningar.
Rekommendationer för Tucsen FSI CMOS- och BSI sCMOS-kameror
| Kameratyp | BSI sCMOS | FSI sCMOS |
| Hög känslighet | Dhyana 95V2 Dhyana 400BSIV2 Dhyana 9KTDI
| Dhyana 400D Dhyana 400DC |
| Storformat | Dhyana 6060BSI Dhyana 4040BSI | Dhyana 6060 Dhyana 4040 |
| Kompakt design | —— | Dhyana 401D Dhyana 201D |
Tucsen Photonics Co., Ltd. Med ensamrätt. Vänligen ange källan vid citering:www.tucsen.com
