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背照式感測器

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前照式與背照式橫截面對比

背照式感測器（英語：back-illuminated sensor），也稱為BI感測器或者BSI感測器，是一種數碼圖像感測器，通過新型排列圖像元件來增加捕獲的光量，從而提升弱光下的成像性能。

該技術曾用於低光安全攝像機和天文感測器等專用領域，但製造工藝複雜，需要進一步改進才能普及。索尼是第一家在2009年以大眾消費價格推出 500 萬像素 1.75 μm BI CMOS感測器（英語：CMOS sensor）的廠商。[1][2]此後，來自豪威科技的背照式感測器已被其他廠商應用於HTC Evo 4G等Android智能手機中，[3][4]並成為蘋果iPhone 4相機的重要賣點。[5][6]

描述

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傳統的、前照式數碼相機結構類似人眼，在前端使用鏡頭，在後端布置光電探測器。這種設計將數碼圖像感測器的主動矩陣（英語：Active matrix）及其連線置於正面，簡化了製造工藝，但連線會阻擋部分光線，使感光層只能接收剩餘光量，降低了訊號捕獲效率。[1]

背照式感測器包含相同元件，但通過在製造時翻轉矽晶片，將連線層置於感光層背面，並對反面進行晶圓減薄（英語：wafer thinning）處理，使光線無需穿過布線層即可直達感光層。[7]這一改變可將光子被捕獲的概率從約60%提升至90%以上（即快1/2檔），在像素尺寸較小時優勢最明顯，因為布線層移至背面後，增加的感光面積相對更大。[來源請求] BSI-CMOS感測器在弱光及部分陽光條件下尤為有利。[8]將連線置於感光層背面與頭足動物的眼睛（英語：Cephalopod eye）和脊椎動物眼睛之間的區別類似。將主動矩陣的電晶體置於感光層背面，會引入串擾（導致噪點）、暗電流和相鄰像素間的顏色混合等問題；晶圓減薄也使矽片更易破損。雖然可通過改進工藝解決，但會降低良率、增加成本。儘管如此，早期的BI感測器仍在工業傳感、安全攝像機、顯微鏡相機和天文系統等對弱光性能有特殊需求的領域中得到應用。[9]

其他BSI感測器的優點包括角度響應更寬（為鏡頭設計提供更大的靈活性）和讀出率可能更快，但也存在響應一致性較差等缺點。

行業觀察員[誰？]指出（2008年），背照式感測器在理論上成本可低於同尺寸的前照式版本。由於能收集更多光線，同樣尺寸的感測器陣列在不降低弱光性能的情況下可提供更高解像度；或者在相同解像度和弱光性能下，可使用更小晶片以降低成本。實現這些優勢的關鍵在於改進工藝，解決良率問題，主要是通過提升探測器前端主動層的均勻性。

當豪威科技於2007年首次試製採用此技術的感測器時，背照式感測器的普及邁出重要一步。[10]但由於成本較高，這些早期感測器並未得到廣泛應用。首款廣泛使用的BI感測器是 OmniVision OV8810，於2008年9月23日發布，提供800萬像素、1.4 μm像素尺寸。[11]使用OV8810的HTC Droid Incredible（英語：HTC Droid Incredible）[12]和HTC Evo 4G[4][3]分別於2009年4月和6月上市。2009年6月，OmniVision發布了5MP OV5650，[13]其弱光靈敏度業內最高，達1300 mV/lux-s，堆疊高度最低，僅6 mm。[14]蘋果在iPhone 4後置攝像頭中選用了 OV5650，因其弱光成像效果獲得好評。[15]

索尼在新光電二極體材料和工藝方面的突破，使其於2009年8月推出首款面向消費市場的背照式基於CMOS的「Exmor R 」感測器。[1]據索尼稱，新材料在訊號增益方面提升了+8 dB，雜訊降低了−2 dB。結合背照式布局，該感測器在弱光條件下性能提升可達兩倍。[1]IPhone 4S採用了索尼生產的圖像感測器。2011年，索尼在旗艦手機Xperia Arc中應用了Exmor R感測器。[16]

2012年10月，GoPro在Hero3 Black運動相機中首次採用了索尼IMX117背照式感測器。[17]

2014年9月，三星推出全球首款採用 BSI 像素技術的APS-C畫幅感測器。[18][3]該28MP感測器（S5KVB2）被其新款無反系統相機NX1採用，並於2014年在世界影像博覽會上亮相。

2015年6月，索尼推出首款採用背照式全畫幅感測器的相機——索尼α7R II。[3]

2017年8月，尼康宣布其即將發布的D850全畫幅數碼單鏡反光機將搭載新開發的45.7MP背照式感測器。

2018年9月，富士宣布其新款X-T3（英語：X-T3）無反光鏡可換鏡頭相機搭載26.1MP APS-C富士X-Trans感光元件（英語：Fujifilm X-Trans sensor）背照式感測器。[19]

2021年4月，理光發布了搭載索尼26MP APS-C背照式感測器和PRIME V圖像處理器的賓得 K-3 Mark III（英語：Pentax K-3 Mark III）。

堆疊式CMOS

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一種更進一步的技術發展是堆疊 CMOS圖像感測器（stacked CMOS），[3]該結構將電路層與圖像訊號處理器（ISP）堆疊在像素層背後，從而使主動像素可佔用更大面積，進一步提升集光效率。索尼於2012年1月首次宣布了此類堆疊式感測器，宣稱可提升30%的集光能力。[20]通過增加層數，堆疊式CMOS還可容納更複雜的處理電路，從而實現更快的幀率與讀出速度。[21]

2012年8月，索尼將其堆疊式感測器技術商品化，推出名為「Exmor RS」的產品系列，提供有效像素為13MP與8MP的型號。[22]

2021年4月，佳能宣布其新款EOS R3（英語：EOS R3）將採用35mm全畫幅背照式堆疊CMOS圖像感測器，並搭載DIGIC X圖像處理器。[23]

2021年5月，索尼宣布推出一款用於微4/3系統的新型20MP背照式堆疊圖像感測器——IMX472-AAJK。[24]

2022年5月，富士正式商品化其首款堆疊式感測器「X-Trans 5 HS」，並率先應用於富士X-H2S（英語：Fujifilm X-H2S）機型中。[25]

相關

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參考

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Sony, 2009
  2. ^ US patent 7521335,「Method and apparatus for producing ultra-thin semiconductor chip and method and apparatus for producing ultra-thin back-illuminated solid-state image pickup device」,發行於2009-04-21,指定於Sony Corporation 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 Zimmerman, Steven. Sony IMX378: Comprehensive Breakdown of the Google Pixel's Sensor and its Features. XDA Developers. 12 October 2016 [17 October 2016]. （原始內容存檔於2019-04-01）. 
  4. ^ 4.0 4.1 Inside the HTC EVO 4G Smart Phone with a Teardown to the Silicon. chipworks. 4 June 2010 [3 August 2011]. （原始內容存檔於22 July 2011）. 
  5. ^ Tufegdzic, Pamela. iPhone 4 Drives Adoption of BSI Image Sensors in Smart Phones. iSuppli. 3 September 2010 [3 August 2011]. （原始內容存檔於19 July 2011）. 
  6. ^ Apple, 2010
  7. ^ US patent 4266334,「Manufacture of thinned substrate imagers」,發行於1981-05-12,指定於RCA Corporation 
  8. ^ Yoshua Goldman. Why the iPhone 4 takes good low-light photos: BSI CMOS sensors explained!. [29 September 2014]. （原始內容存檔於2014-09-28）. 
  9. ^ Swain and Cheskis, 2008
  10. ^ Yoshida 2007
  11. ^ OmniVision premieres world's first 1/3-inch, 8 megapixel CameraChip sensor with 1.4 micron OmniBSI technology. EDN. 23 September 2008 [2025-05-30]. （原始內容存檔於2025-01-19）. 
  12. ^ Brian Klug. Motorola Droid X: Thoroughly Reviewed. Anandtech. 20 July 2010 [2025-05-30]. （原始內容存檔於2025-01-19）. 
  13. ^ OmniVision delivers DSC-quality imaging to high performance mobile phone market (PDF). OmniVision. 22 June 2009. [失效連結]
  14. ^ DSC-Quality Imaging for High-Performance Mobile Phones: OV5650 5 megapixel product brief (PDF). OmniVision. January 2010 [2025-05-30]. （原始內容存檔 (PDF)於2024-04-12）. 
  15. ^ Philip Berne. Review: iPhone 4. PhoneScoop. 24 June 2010. 
  16. ^ Vlad Savov. Sony Ericsson Xperia Arc review. Engadget. AOL. [16 August 2015]. 
  17. ^ GoPro HERO3 Black Edition: Super Hero.... DXOMARK. 2013-07-18 [2022-09-06] （美國英語）. 
  18. ^ Samsung Semiconductors Global Site. [16 August 2015]. （原始內容存檔於2015-07-12）. 
  19. ^ Fujifilm announces the new X-T3, a mirrorless digital camera evolving X Series into fourth generation. Fujifilm. [27 September 2018]. （原始內容存檔於2019-03-07）. 
  20. ^ Sony's Stacked CMOS Image Sensor Solves All Existing Problems in One Stroke (PDF). Sony. 12 June 2012. （原始內容 (PDF)存檔於12 June 2012）. 
  21. ^ Possibility Editorial. The Future of CMOS is Stacked. Possibility | Teledyne Imaging. August 30, 2023 [2025-05-30]. （原始內容存檔於2024-04-16）. 
  22. ^ Sony Global – News Releases – Sony Develops "Exmor RS," the World's First*1 Stacked CMOS Image Sensor. [16 August 2015]. （原始內容存檔於2018-05-01）. 
  23. ^ Canon announces development of the EOS R3 full-frame mirrorless camera that delivers high speed, high sensitivity and high reliability to expand users' range of photographic possibilities. Canon. [17 April 2021]. （原始內容存檔於2025-03-27）. 
  24. ^ Sony announced a new 20MP stacked BS1 Micro Four Thirds sensor. Is this for the future Olympus OMD camera?. [30 May 2021]. （原始內容存檔於2025-02-07）. 
  25. ^ X-Trans CMOS. fujifilm-x.com. [3 July 2022]. 

參考書目

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 外部連結

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