I sensori di immagine sono necessari nelle fotocamere, dai telefoni ai telescopi, per catturare la luce e trasformarla in immagini. I sensori CMOS (Front-Side Illuminated) e BSI (Backside-Illuminated) funzionano secondo principi simili ma differiscono nella struttura, influenzando la cattura della luce, il rumore e la qualità del colore. Questo articolo spiega in dettaglio il loro design, le prestazioni, gli usi e gli sviluppi futuri.
CC7. Da BSI alle architetture CMOS impilate
Panoramica del sensore CMOS vs BSI
Ogni fotocamera, dallo smartphone in tasca ai telescopi che esplorano galassie lontane, dipende dall'efficienza con cui il suo sensore di immagine cattura la luce. Sia i sensori CMOS che BSI seguono principi simili a quelli dei semiconduttori, ma le loro differenze strutturali portano a notevoli variazioni nella sensibilità alla luce, nelle prestazioni del rumore e nella qualità dell'immagine. Nei sensori CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) tradizionali, i cavi metallici e i transistor si trovano sopra i fotodiodi, bloccando parzialmente la luce in ingresso e riducendo la sensibilità complessiva. Questo design rende i sensori CMOS convenienti e più facili da produrre, ma limita le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione. Al contrario, i sensori BSI (Back-Side Illuminated) capovolgono la struttura, posizionando il fotodiodo sulla parte superiore in modo che la luce lo raggiunga direttamente senza ostacoli. Ciò migliora l'efficienza quantistica, riduce il rumore e migliora le prestazioni nei sistemi di imaging compatti o di fascia alta, dalle fotocamere DSLR agli strumenti scientifici.
Architettura del sensore CMOS
Un sensore CMOS Front-Side Illuminated (FSI) rappresenta la struttura del sensore di immagine precedente e più convenzionale utilizzata nelle fotocamere digitali e negli smartphone. In questa architettura, la luce in entrata deve passare attraverso più strati di materiali prima di raggiungere il fotodiodo, la regione sensibile alla luce responsabile della conversione dei fotoni in segnali elettrici.
Processo di lavoro
Ogni pixel nel display funziona attraverso un processo coordinato che coinvolge microlenti, filtri colorati, interconnessioni metalliche, transistor e uno strato di fotodiodo. Le microlenti focalizzano prima la luce in entrata attraverso i filtri colorati rosso, verde e blu, assicurando che solo lunghezze d'onda specifiche raggiungano ogni subpixel. Sopra il fotodiodo, le interconnessioni metalliche e i transistor gestiscono il controllo elettrico del pixel e la lettura del segnale, anche se la loro posizione può bloccare parzialmente parte della luce in entrata. Al di sotto di questi strati si trova il fotodiodo, che cattura la luce rimanente e la converte in una carica elettrica, formando il segnale di base dell'immagine del pixel.
Limitazioni della progettazione FSI
• Sensibilità alla luce ridotta: una parte della luce viene riflessa o assorbita dal cablaggio e dagli strati del transistor prima che possa raggiungere il fotodiodo.
• Fattore di riempimento inferiore: man mano che le dimensioni dei pixel si riducono, il rapporto tra l'area sensibile alla luce e l'area totale dei pixel diminuisce, causando un aumento del rumore.
• Prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione più deboli: i sensori FSI faticano in ambienti scarsamente illuminati rispetto alle alternative moderne come i sensori BSI.
All'interno del sensore CMOS BSI
Il sensore CMOS retroilluminato (BSI) ha rivoluzionato l'imaging digitale risolvendo il principale inconveniente dei tradizionali design FSI (Front-Side Illuminated), ovvero il blocco della luce da cavi metallici e transistor. Invertendo la struttura del sensore, BSI consente alla luce in entrata di raggiungere direttamente il fotodiodo, migliorando notevolmente l'efficienza luminosa e la qualità dell'immagine.
Funzione della tecnologia BSI
• Il wafer di silicio viene diluito a pochi micrometri per esporre lo strato fotosensibile
• Lo strato del fotodiodo è posizionato sul lato superiore, rivolto direttamente verso la luce in entrata
• I cavi metallici e i circuiti dei transistor sono stati riposizionati sul lato posteriore, impedendo loro di ostruire i percorsi luminosi
• Le microlenti avanzate sono allineate con precisione su ogni pixel per garantire una messa a fuoco ottimale della luce
Vantaggi dei sensori BSI
• Maggiore efficienza di assorbimento della luce: fino al 30-50% di miglioramento rispetto ai sensori FSI, con immagini più luminose e pulite.
• Prestazioni superiori in condizioni di scarsa illuminazione: la ridotta perdita di fotoni migliora la sensibilità e riduce al minimo il rumore in ambienti bui.
• Precisione del colore migliorata: con percorsi di luce senza ostacoli, i filtri colorati producono toni più accurati e vividi.
• Design compatto dei pixel: BSI supporta pixel di dimensioni più piccole pur mantenendo la qualità dell'immagine, ideale per i sensori ad alta risoluzione.
• Gamma dinamica migliorata: migliore acquisizione del segnale sia nelle regioni luminose che in quelle scure di una scena.
Confronto tra efficienza luminosa e sensibilità
| Caratteristica | Sensore CMOS FSI | Sensore BSI |
|---|---|---|
| Percorso di Luce | La luce passa attraverso il cablaggio → perdita parziale | Diretto al fotodiodo → perdite minime |
| Efficienza quantistica (QE) | 60-70% | 90-100% |
| Prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione | Moderato | Eccellente |
| Riflessione e diafonia | Alto | Basso |
| Nitidezza dell'immagine | Media | Nitido e luminoso in condizioni di scarsa illuminazione |
Fattore di riduzione e riempimento dei pixel
Sensori CMOS FSI
Quando la dimensione dei pixel scende al di sotto di 1,4 μm, le interconnessioni metalliche e i transistor occupano una superficie maggiore. Il fattore di riempimento diminuisce, con conseguente minore cattura di luce per pixel e aumento del rumore dell'immagine. Il risultato sono immagini più scure, contrasto ridotto e prestazioni più deboli in condizioni di scarsa illuminazione.
Sensori CMOS BSI
Il fotodiodo è posizionato sopra il cablaggio, consentendo alla luce di colpirlo direttamente. Questa configurazione raggiunge un fattore di riempimento quasi del 100%, il che significa che quasi l'intera area dei pixel diventa sensibile alla luce. I sensori BSI mantengono una luminosità uniforme e un rapporto segnale/rumore (SNR) più elevato in tutta l'inquadratura dell'immagine. Offrono inoltre prestazioni superiori in condizioni di scarsa illuminazione, anche in moduli compatti come le fotocamere di smartphone o droni.
Diafonia, rumore e diffusione sul retro
| Aspetto | Potenziali problemi nei sensori CMOS (FSI) | Potenziali problemi nei sensori BSI | Soluzioni ingegneristiche | Impatto sulla qualità dell'immagine |
|---|---|---|---|---|
| Diafonia ottica | La luce viene dispersa o bloccata da cavi metallici prima di raggiungere il fotodiodo, causando un'illuminazione non uniforme. | La luce penetra nei pixel vicini a causa dell'esposizione sul retro. | Deep Trench Isolation (DTI): crea barriere fisiche tra i pixel per prevenire interferenze ottiche. | Immagini più nitide, migliore separazione dei colori e sfocatura ridotta. |
| Ricombinazione di carica | I portatori di carica vengono persi all'interno di spessi strati di silicio o metallo, riducendo la sensibilità. | Ricombinazione posteriore: i supporti si ricombinano vicino alla superficie esposta prima della raccolta. | Strati di passivazione e trattamento superficiale: Ridurre i difetti e migliorare la raccolta delle cariche. | Maggiore sensibilità e ridotta perdita di segnale. |
| Effetto fioritura | La sovraesposizione in un pixel provoca la saturazione dei pixel adiacenti a causa della diffusione frontale. | La sovraesposizione diffonde la carica sotto lo strato di silicio assottigliato. | Barriere contro il doping e la carica di superficie: contengono la carica e prevengono il trabocco. | Riduzione delle striature bianche e riflessi più uniformi. |
| Rumore elettrico e termico | Il calore dei transistor sui pixel genera rumore nel percorso del segnale. | Rumore di scatto più elevato grazie al silicio sottile e ai circuiti densi. | Amplificatori a basso rumore e algoritmi di riduzione del rumore su chip. | Immagini più pulite, prestazioni migliorate in condizioni di scarsa illuminazione. |
| Limitazione del fattore di riempimento | Gli strati metallici e i transistor coprono un'ampia area di pixel, riducendo la sensibilità alla luce. | Quasi eliminato - fotodiodo completamente esposto alla luce. | Ottimizzazione della struttura e delle microlenti BSI. | Massima cattura della luce e luminosità uniforme. |
Da BSI alle architetture CMOS impilate
Struttura di un sensore CMOS impilato
| Strato | Funzione | Descrizione |
|---|---|---|
| Strato superiore | Array di pixel (BSI Design) | Contiene i fotodiodi sensibili alla luce che catturano la luce in entrata, utilizzando una struttura BSI per massimizzare la sensibilità. |
| Strato intermedio | Circuiti analogici/digitali | Gestisce le attività di conversione del segnale, amplificazione ed elaborazione delle immagini separatamente dall'array di pixel per output più puliti. |
| Strato inferiore | Integrazione di memoria o processore | Può includere DRAM integrata o core di elaborazione AI per un rapido buffering dei dati e il miglioramento delle immagini in tempo reale. |
Vantaggi dei sensori CMOS impilati
• Lettura ultraveloce: consente lo scatto continuo ad alta velocità e l'acquisizione di video effettivi fino a risoluzioni 4K o 8K con una distorsione minima dell'otturatore lineare.
• Elaborazione su chip migliorata: integra circuiti logici che eseguono l'unione HDR, la correzione del movimento e la riduzione del rumore direttamente sul sensore.
• Efficienza energetica: percorsi dati più brevi e domini di potenza indipendenti migliorano il throughput riducendo il consumo energetico.
• Fattore di forma più piccolo: l'impilamento verticale consente un design compatto del modulo ideale per smartphone, fotocamere automobilistiche e droni.
• Supporto per intelligenza artificiale e imaging computazionale: alcuni sensori impilati includono processori neurali dedicati per la messa a fuoco automatica intelligente, il riconoscimento della scena e il miglioramento in tempo reale.
Gamma dinamica e prestazioni cromatiche nei sensori CMOS e BSI
Sensori BSI (retroilluminati)
Eliminando i cavi metallici sopra il fotodiodo, i sensori BSI consentono ai fotoni di raggiungere direttamente l'area sensibile alla luce. Questa struttura aumenta la capacità del pozzetto pieno, migliorando l'assorbimento della luce e riducendo al minimo il clipping delle alte luci. Di conseguenza, i sensori BSI offrono prestazioni HDR superiori, una migliore profondità di colore e una gradazione delle ombre più fine, rendendoli i migliori per la fotografia HDR, l'imaging medico e la sorveglianza in condizioni di scarsa illuminazione.
Sensori FSI (illuminati frontalmente)
Al contrario, i sensori FSI richiedono che la luce passi attraverso diversi strati di circuiti prima di raggiungere il fotodiodo. Ciò provoca una riflessione e una dispersione parziali, che limitano la gamma dinamica e la capacità di mappatura dei toni. Sono più inclini alla sovraesposizione in condizioni di luminosità e spesso producono colori meno accurati nelle ombre profonde.
Applicazioni dei sensori CMOS vs BSI
Sensori CMOS (FSI)
• Visione industriale
• Ispezione industriale
• Endoscopia medica
• Telecamere di sorveglianza
Sensori BSI
• Smartphone
• Fotocamere digitali
• ADAS per il settore automobilistico
•Astronomia e imaging scientifico
• Registrazione video 8K
Sviluppi futuri nei sensori CMOS vs BSI
• I progetti impilati in 3D combinano livelli di pixel, logica e memoria per una lettura ultraveloce e un imaging basato sull'intelligenza artificiale.
• I sensori BSI con otturatore globale eliminano la distorsione del movimento per robotica, droni e sistemi automobilistici.
• I sensori CMOS organici e a punti quantici offrono una maggiore sensibilità, una risposta spettrale più ampia e colori più ricchi.
• L'elaborazione AI sul sensore consente la riduzione del rumore in tempo reale, il rilevamento degli oggetti e il controllo adattivo dell'esposizione.
• Le piattaforme di imaging ibride uniscono i vantaggi di CMOS e BSI, migliorando la gamma dinamica e riducendo il consumo energetico.
Conclusione
I sensori CMOS e BSI hanno rimodellato l'imaging moderno, con BSI che offre una maggiore sensibilità alla luce, meno rumore e una migliore precisione del colore. L'aumento dei sensori CMOS impilati e integrati nell'intelligenza artificiale migliora ulteriormente la velocità, la nitidezza dell'immagine e la gamma dinamica. Insieme, queste tecnologie continuano a far progredire la fotografia, la sorveglianza e l'imaging scientifico con maggiore precisione ed efficienza.
Domande frequenti
Quali materiali vengono utilizzati nei sensori CMOS e BSI?
Entrambi utilizzano wafer di silicio. I sensori BSI includono anche strati di silicio assottigliati, microlenti e interconnessioni metalliche per un migliore assorbimento della luce.
Quale tipo di sensore consuma più energia?
I sensori BSI consumano più energia a causa del loro design complesso e dell'elaborazione più rapida dei dati, sebbene i design moderni stiano migliorando l'efficienza.
Perché i sensori BSI sono più costosi dei CMOS?
I sensori BSI richiedono ulteriori fasi di produzione, come l'assottigliamento dei wafer e l'allineamento preciso degli strati, il che li rende più costosi da produrre.
In che modo questi sensori gestiscono il calore?
Le alte temperature aumentano il rumore in entrambi i sensori. I progetti BSI spesso includono un migliore controllo termico per mantenere stabile la qualità dell'immagine.
I sensori CMOS e BSI possono rilevare la luce infrarossa?
Sì. Se dotati di rivestimenti sensibili all'IR o di filtri rimossi, entrambi sono in grado di rilevare gli infrarossi, con BSI che mostra una migliore sensibilità IR.
Qual è lo scopo delle microlenti sui sensori di immagine?
Le microlenti guidano la luce direttamente nel fotodiodo di ciascun pixel, migliorando la luminosità e l'efficienza dei sensori BSI più piccoli.