2022年3月25日在科學成像相機中，感測器架構在決定影像品質、靈敏度和整體性能方面起著至關重要的作用。大多數現代高性能相機都使用CMOS（互補金屬氧化物半導體）用於形成影像的光敏像素陣列的技術。
在CMOS感測器技術中，主要有兩種照明架構：正面照明 (FSI)和背照式（BSI）感光元件雖然這兩種設計都廣泛應用於科學相機，但它們在入射光到達感測器光電二極管的方式上有所不同。
了解兩者之間的差異FSI 和 BSI sCMOS 感測器可以幫助研究人員和工程師為顯微鏡、低光成像和其他高要求的科學測量等應用選擇最合適的相機。
什麼是FSI和BSI sCMOS感測器？
感測器型號指的是成像設備中使用的相機感測器技術類型。在科學成像系統中，感測器在捕捉入射光並將其轉換為形成最終影像的電訊號方面起著至關重要的作用。
最現代科學相機利用CMOS用於光敏像素陣列的技術。 CMOS感測器已成為高性能成像的行業標準，並廣泛應用於顯微鏡、生命科學研究和工業檢測等領域。
在CMOS感測器技術中，現代相機主要採用兩種照明架構：FSI感測器和BSI感測器雖然這兩種類型都基於相同的 CMOS 成像技術，但它們在光線穿過感測器結構到達光探測矽之前的方式有所不同。
理解這種結構差異是解釋其原因的關鍵。BSI感測器通常具有更高的靈敏度。尤其是在光線較暗的科學成像環境中。
正面照明式（FSI）感測器的工作原理是什麼？
FSI感測器－也稱為前照式（FI）感光元件—是現代成像系統中最常用的CMOS感測器架構。這種設計被廣泛採用的主要原因是：製造流程更簡單，成本更低.
在流光感測器中，控制每個像素的線路和電晶體被放置在在感光矽層上方因此，入射光子必須穿過這層電子元件才能到達偵測光的光電二極體。如果光子撞擊這些元件，它可能會…吸收或散射阻止其到達感光區域。
這種結構減少了填充因子每個像素都降低有效值量子效率（量化寬鬆）——入射光子被偵測到的機率。因此，FSI感測器通常提供降低靈敏度尤其是在低光源成像環境下。
優勢
●製造流程更簡單– FSI 感測器更容易生產，因為感測器結構不需要對矽基板進行減薄。
●降低製造成本– 更簡單的製造流程使得正面照明感測器更具成本效益。
缺點
●降低靈敏度– 線路和電子元件位於光探測矽的上方，這意味著一些入射光子在到達光電二極體之前可能會被阻擋。
圖 1：前照式和背照式像素結構
前照式感光元件（左）和背照式感光元件（右）的像素結構側視圖。正面分別展示了有或沒有彩色濾光片的情況，背面則展示了有或沒有微透鏡的情況。有關各組件的說明，請參閱內文。
背照式（BSI）感測器的工作原理是什麼？
BSI感測器採用了不同的架構，旨在提高光收集效率。在這種設計中，感測器結構有效地倒這樣，光子就可以直接到達光敏矽，而無需先經過線路或電晶體。
為了實現這種結構，支撐光敏層的體矽必須是機械或化學減薄這個過程通常被稱為背部變薄這項製造步驟使得光線能夠穿透到光電二極體，但也使製造過程更加複雜。
由於佈線層位於光電二極體的後面，因此像素填充率接近100%這使得更大比例的入射光子能夠被偵測到。因此，BSI感測器可以實現極高的量子效率在某些情況下達到90-95%—顯著提高了弱光成像條件下的靈敏度。
優勢
●更高的靈敏度– 由於沒有電線阻擋光路，更多的光子到達光電二極管，從而提高了訊號偵測能力。
●在低光源條件下性能有所提升– BSI 感測器在需要捕捉微弱訊號或精細細節的應用中尤其有效。
缺點
●成本更高，製造流程更複雜– BSI感測器所需的晶圓減薄製程增加了製造難度和生產成本。
FSI 和 BSI sCMOS 感測器的主要差異
儘管FSI和BSI感測器都基於相同的CMOS成像技術，但它們的內部結構在性能、靈敏度和製造複雜性方面存在重要差異。
主要區別在於光線到達光電二極體的方式。在流式感測器（FSI）中，入射光子必須穿過多層線路和電子元件才能到達感光矽片。而在背照式感測器（BSI）中，感測器結構反轉，光子直接照射到光電二極體上，從而提高了光收集效率。
這種架構上的改變提高了填充因子，並顯著提升了量子效率，使背照式感測器能夠偵測到更多入射光子，尤其是在低光源條件下。然而，性能的提升是以更複雜的製造過程為代價的。
| 特徵 | FSI sCMOS感測器 | BSI sCMOS感測器 |
| 感測器結構 | 光電二極體上方的接線 | 光電二極體背後的線路 |
| 光路 | 部分被電子設備遮擋 | 直接通往光電二極體的路徑 |
| 填充因子 | 佈線層減少 | 接近100% |
| 量子效率 | 緩和 | 非常高（高達約 95%） |
| 敏感度 | 低光照成像效果較差 | 更高的靈敏度 |
| 製造成本 | 降低 | 更高 |
由於這些差異，FSI 感測器和 BSI 感測器之間的選擇通常取決於性能要求和系統成本之間的平衡。
選擇FSI感測器還是BSI感測器
在為成像應用選擇前照式 (FSI) 和背照式 (BSI) 感測器時，最重要的規格是滿足您特定需求的量子效率 (QE)。量子效率是指感測器將入射光轉換為電訊號的效率。
FSI感測器對於以成本效益為首要考慮因素且對光敏感度要求不高的應用來說，這可能就足夠了。
BSI感測器雖然價格更高，但對於高靈敏度至關重要的應用來說，尤其是在低光源條件下，它們是理想的選擇。
了解您的應用所需的量子效率有助於確定FSI或BSI感測器架構哪個更合適。
結論
流式照相（FSI）和背照式照相（BSI）感測器均廣泛應用於現代科學成像相機，兩者根據應用場景各有優勢。對於光照條件穩定且對靈敏度要求不高的成像系統而言，流式照相感測器是一種經濟高效且成熟的解決方案。
另一方面，BSI 感測器旨在最大限度地提高光子偵測效率，並提供更高的量子效率和靈敏度，使其成為螢光顯微鏡和其他科學成像任務等要求苛刻的低光照應用的理想選擇。
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Tucsen FSI CMOS 和 BSI sCMOS 相機推薦
| 相機類型 | BSI sCMOS | FSI sCMOS |
| 高靈敏度 | 禪那 95V2 禪那 400BSIV2 Dhyana 9KTDI
| Dhyana 400D Dhyana 400DC |
| 大幅面 | Dhyana 6060BSI Dhyana 4040BSI | 禪那 6060 禪那 4040 |
| 緊湊型設計 | —— | 禪那 401D 禪那 201D |
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