CMOS مقابل BSI: الهيكل والأداء

مستشعرات الصور مطلوبة في الكاميرات ، من الهواتف إلى التلسكوبات ، والتقاط الضوء وتحويله إلى صور. تعمل مستشعرات CMOS (مضيئة من الجانب الأمامي) و BSI (إضاءة الخلف) على مبادئ متشابهة ولكنها تختلف في الهيكل ، مما يؤثر على التقاط الضوء والضوضاء وجودة الألوان. تشرح هذه المقالة تصميماتها وأدائها واستخداماتها وتطوراتها المستقبلية بالتفصيل.

ج 1. نظرة عامة على CMOS مقابل مستشعر BSI

ج 2. هندسة مستشعر CMOS

ج 3. داخل مستشعر BSI CMOS

ج 4. مقارنة كفاءة الضوء والحساسية

ج 5. انكماش البكسل وعامل التعبئة

ج 6. الحديث المتبادل والضوضاء والانتشار الخلفي

CC7. من BSI إلى معماريات CMOS المكدسة

ج 8. النطاق الديناميكي وأداء الألوان في مستشعرات CMOS مقابل BSI

ج 9. تطبيقات CMOS مقابل مستشعرات BSI

ج 10. التطورات المستقبلية في CMOS مقابل مستشعرات BSI

ج 11. استنتاج

ج 12. الأسئلة المتكررة 

نظرة عامة على مستشعر CMOS مقابل BSI 

تعتمد كل كاميرا ، من الهاتف الذكي الموجود في جيبك إلى التلسكوبات التي تستكشف المجرات البعيدة ، على مدى كفاءة مستشعر الصورة في التقاط الضوء. تتبع كل من مستشعرات CMOS و BSI مبادئ أشباه الموصلات المتشابهة ، لكن اختلافاتها الهيكلية تؤدي إلى اختلافات كبيرة في حساسية الضوء وأداء الضوضاء وجودة الصورة. في مستشعرات CMOS التقليدية (الجانب الأمامي المضيء ، FSI) ، تجلس الأسلاك المعدنية والترانزستورات فوق الثنائيات الضوئية ، مما يحجب الضوء الوارد جزئيا ويقلل من الحساسية الإجمالية. يجعل هذا التصميم مستشعرات CMOS فعالة من حيث التكلفة وأسهل في التصنيع ، ولكنها تحد من أداء الإضاءة المنخفضة. في المقابل ، تقوم مستشعرات BSI (Back-Side Illuminated) بقلب الهيكل ، ووضع الصمام الثنائي الضوئي في الأعلى بحيث يصل الضوء إليه مباشرة دون عوائق. وهذا يحسن الكفاءة الكمومية، ويقلل من الضوضاء، ويعزز الأداء في أنظمة التصوير المدمجة أو المتطورة، من كاميرات DSLR إلى الأدوات العلمية.

هندسة مستشعر CMOS 

يمثل مستشعر CMOS المضيء من الجانب الأمامي (FSI) هيكل مستشعر الصورة السابق والأكثر تقليدية المستخدم في الكاميرات الرقمية والهواتف الذكية. في هذه الهندسة المعمارية ، يجب أن يمر الضوء الوارد عبر طبقات متعددة من المواد قبل الوصول إلى الصمام الثنائي الضوئي ، وهي المنطقة الحساسة للضوء المسؤولة عن تحويل الفوتونات إلى إشارات كهربائية.

عملية العمل

يعمل كل بكسل في الشاشة من خلال عملية منسقة تتضمن العدسات الدقيقة ومرشحات الألوان والوصلات المعدنية والترانزستورات وطبقة الصمام الثنائي الضوئي. تركز العدسات الدقيقة أولا الضوء الوارد من خلال مرشحات الألوان الأحمر والأخضر والأزرق ، مما يضمن وصول أطوال موجية محددة فقط إلى كل بكسل فرعي. فوق الصمام الثنائي الضوئي ، تدير الوصلات المعدنية والترانزستورات التحكم الكهربائي للبكسل وقراءة الإشارة ، على الرغم من أن موضعها يمكن أن يحجب جزئيا بعض الضوء الوارد. تحت هذه الطبقات يوجد الصمام الثنائي الضوئي ، الذي يلتقط الضوء المتبقي ويحوله إلى شحنة كهربائية ، ويشكل إشارة الصورة الأساسية للبكسل.

قيود تصميم FSI

• انخفاض حساسية الضوء: ينعكس جزء من الضوء أو يمتصه طبقات الأسلاك والترانزستور قبل أن يصل إلى الصمام الثنائي الضوئي.

• عامل تعبئة أقل: مع تقلص أحجام البكسل ، تقل نسبة المنطقة الحساسة للضوء إلى إجمالي مساحة البكسل ، مما يؤدي إلى مزيد من الضوضاء.

• أداء أضعف في الإضاءة المنخفضة: تكافح مستشعرات FSI في البيئات المعتمة مقارنة بالبدائل الحديثة مثل مستشعرات BSI.

داخل مستشعر BSI CMOS 

أحدث مستشعر CMOS المضاء الخلفي (BSI) ثورة في التصوير الرقمي من خلال معالجة العيب الرئيسي للتصميمات التقليدية للإضاءة الأمامية (FSI) ، وانسداد الضوء من الأسلاك المعدنية والترانزستورات. من خلال عكس هيكل المستشعر ، يسمح BSI للضوء الوارد بالوصول إلى الصمام الثنائي الضوئي مباشرة ، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة الضوء وجودة الصورة.

وظيفة تقنية BSI

• يتم تخفيف رقاقة السيليكون إلى بضعة ميكرومترات فقط لكشف الطبقة الحساسة للضوء

• يتم وضع طبقة الصمام الثنائي الضوئي على الجانب العلوي ، في مواجهة الضوء الوارد مباشرة

• يتم نقل دوائر الأسلاك المعدنية والترانزستور إلى الجانب الخلفي ، مما يمنعها من إعاقة مسارات الضوء

• تتم محاذاة العدسات الدقيقة المتقدمة بدقة فوق كل بكسل لضمان التركيز البؤري الأمثل للضوء

مزايا مستشعرات BSI

• كفاءة امتصاص أعلى للضوء: تحسين يصل إلى 30-50٪ مقارنة بمستشعرات FSI ، مما ينتج عنه صور أكثر إشراقا ونظافة.

• أداء فائق في الإضاءة المنخفضة: يقلل فقدان الفوتون من الحساسية ويقلل من الضوضاء في البيئات المظلمة.

• دقة ألوان محسنة: مع مسارات الضوء دون عائق ، تنتج مرشحات الألوان نغمات أكثر دقة وحيوية.

• تصميم بكسل مضغوط: يدعم BSI أحجام البكسل الأصغر مع الحفاظ على جودة الصورة ، وهو مثالي لأجهزة الاستشعار عالية الدقة.

• نطاق ديناميكي محسن: التقاط إشارة أفضل في كل من المناطق الساطعة والخافتة من المشهد.

مقارنة كفاءة الضوء والحساسية

بكسل يتقلص وعامل التعبئة

في مستشعرات FSI CMOS

عندما ينخفض حجم البكسل إلى أقل من 1.4 ميكرومتر ، تحتل الوصلات المعدنية والترانزستورات مساحة سطح أكبر. ينخفض عامل التعبئة، مما يؤدي إلى تقليل التقاط الضوء لكل بكسل وزيادة تشويش الصورة. والنتيجة هي صور أغمق وتباين أقل وأداء أضعف في ظروف الإضاءة المنخفضة.

في مستشعرات BSI CMOS

يتم وضع الصمام الثنائي الضوئي فوق الأسلاك ، مما يسمح للضوء بضربها مباشرة. يحقق هذا التكوين عامل تعبئة بنسبة 100٪ تقريبا ، مما يعني أن منطقة البكسل بأكملها تقريبا تصبح حساسة للضوء. تحافظ مستشعرات BSI على سطوع موحد ونسبة إشارة إلى ضوضاء أعلى (SNR) عبر إطار الصورة. كما أنها توفر أداء فائقا في الإضاءة المنخفضة ، حتى في الوحدات المدمجة مثل الهواتف الذكية أو كاميرات الطائرات بدون طيار.

الحديث المتبادل والضوضاء وانتشار المؤخرة 

من BSI إلى معماريات CMOS المكدسة

هيكل مستشعر CMOS مكدس

مزايا مستشعرات CMOS المكدسة

• قراءة فائقة السرعة: تتيح التصوير المستمر عالي السرعة والتقاط الفيديو الفعلي بدقة تصل إلى 4K أو 8K مع الحد الأدنى من تشويه الغالق المتداول.

• معالجة محسنة على الرقاقة: تدمج الدوائر المنطقية التي تقوم بدمج HDR وتصحيح الحركة وتقليل الضوضاء مباشرة على المستشعر.

• كفاءة الطاقة: تعمل مسارات البيانات الأقصر ومجالات الطاقة المستقلة على تحسين الإنتاجية مع تقليل استهلاك الطاقة.

• عامل شكل أصغر: يسمح التكديس الرأسي بتصميم وحدة مدمجة مثالية للهواتف الذكية وكاميرات السيارات والطائرات بدون طيار.

• دعم الذكاء الاصطناعي والتصوير الحسابي: تشتمل بعض المستشعرات المكدسة على معالجات عصبية مخصصة للتركيز البؤري التلقائي الذكي والتعرف على المشهد والتحسين في الوقت الفعلي.

النطاق الديناميكي وأداء الألوان في مستشعرات CMOS مقابل BSI

مستشعرات BSI (إضاءة خلفية)

من خلال التخلص من الأسلاك المعدنية فوق الصمام الثنائي الضوئي ، تسمح مستشعرات BSI للفوتونات بالوصول إلى المنطقة الحساسة للضوء مباشرة. يزيد هذا الهيكل من سعة البئر الكاملة، مما يحسن امتصاص الضوء ويقلل من قص التظليل. نتيجة لذلك ، توفر مستشعرات BSI أداء HDR فائقا وعمقا أفضل للألوان وتدرج أدق للظل ، مما يجعلها الأفضل للتصوير الفوتوغرافي بتقنية HDR والتصوير الطبي والمراقبة في الإضاءة المنخفضة.

مستشعرات FSI (إضاءة أمامية)

في المقابل ، تتطلب مستشعرات FSI الضوء لتمرير الضوء عبر عدة طبقات من الدوائر قبل الوصول إلى الصمام الثنائي الضوئي. يؤدي هذا إلى انعكاس وتشتت جزئي ، مما يحد من النطاق الديناميكي وقدرة تعيين النغمة. هم أكثر عرضة للتعرض المفرط في الظروف الساطعة وغالبا ما ينتجون لونا أقل دقة في الظلال العميقة.

تطبيقات CMOS مقابل مستشعرات BSI

مستشعرات CMOS (FSI)

• رؤية الآلة

• التفتيش الصناعي

• التنظير الطبي

• كاميرات مراقبة

مستشعرات BSI

• الهواتف الذكية

• كاميرات رقمية

• السيارات ADAS

• علم الفلك والتصوير العلمي

• تسجيل فيديو بدقة 8K

التطورات المستقبلية في CMOS مقابل مستشعرات BSI

• تجمع التصميمات المكدسة ثلاثية الأبعاد بين طبقات البكسل والمنطق والذاكرة للحصول على قراءة فائقة السرعة والتصوير القائم على الذكاء الاصطناعي.

• تعمل مستشعرات BSI ذات الغالق العالمي على التخلص من تشويه الحركة للروبوتات والطائرات بدون طيار وأنظمة السيارات.

• توفر مستشعرات CMOS العضوية والنقاط الكمومية حساسية أعلى واستجابة طيفية أوسع وألوانا أكثر ثراء.

• تتيح معالجة الذكاء الاصطناعي على المستشعر تقليل الضوضاء في الوقت الفعلي واكتشاف الكائنات والتحكم في التعريض التكيفي.

• تدمج منصات التصوير الهجين مزايا CMOS و BSI ، مما يحسن النطاق الديناميكي ويقلل من استخدام الطاقة.

الخلاصة

أعادت مستشعرات CMOS و BSI تشكيل التصوير الحديث ، حيث تقدم BSI حساسية أعلى للضوء وضوضاء أقل ودقة ألوان أفضل. يعمل ظهور CMOS المكدسة والمستشعرات المدمجة مع الذكاء الاصطناعي على تحسين السرعة ووضوح الصورة والنطاق الديناميكي. تستمر هذه التقنيات معا في تطوير التصوير الفوتوغرافي والمراقبة والتصوير العلمي بدقة وكفاءة أكبر.

الأسئلة المتكررة 

ما هي المواد المستخدمة في مستشعرات CMOS و BSI؟

كلاهما يستخدم رقائق السيليكون. تشتمل مستشعرات BSI أيضا على طبقات سيليكون رقيقة وعدسات دقيقة ووصلات معدنية لامتصاص أفضل للضوء.

ما هو نوع المستشعر الذي يستخدم المزيد من الطاقة؟

تستهلك مستشعرات BSI مزيدا من الطاقة نظرا لتصميمها المعقد ومعالجتها الأسرع للبيانات ، على الرغم من أن التصميمات الحديثة تعمل على تحسين الكفاءة.

لماذا تعتبر مستشعرات BSI أغلى من CMOS؟

تتطلب مستشعرات BSI خطوات تصنيع إضافية ، مثل ترقق الرقاقة ومحاذاة الطبقة بدقة ، مما يجعلها أكثر تكلفة في الإنتاج.

كيف تتعامل هذه المستشعرات مع الحرارة؟

تزيد درجات الحرارة المرتفعة من الضوضاء في كلا المستشعرين. غالبا ما تتضمن تصميمات BSI تحكما حراريا أفضل للحفاظ على استقرار جودة الصورة.

هل يمكن لمستشعرات CMOS و BSI اكتشاف ضوء الأشعة تحت الحمراء؟

نعم. عند تجهيزه بطلاءات أو مرشحات حساسة للأشعة تحت الحمراء ، يمكن لكليهما اكتشاف الأشعة تحت الحمراء ، حيث يظهر BSI حساسية أفضل للأشعة تحت الحمراء.

ما هو الغرض من العدسات الدقيقة على مستشعرات الصور؟

توجه العدسات الدقيقة الضوء مباشرة إلى الصمام الثنائي الضوئي لكل بكسل ، مما يحسن السطوع والكفاءة في مستشعرات BSI الأصغر.