認識背照式CMOS 堆疊式CMOS 背照堆疊式CMOS 前照式CMOS @ 鑫部落心經營!

認識背照式CMOS 堆疊式CMOS 背照堆疊式CMOS 前照式CMOS

市面上數位相機的 CMOS 影像感測器有數種類型，例如: 傳統 CMOS、背照式 CMOS、堆疊式 CMOS、背照堆疊式 CMOS，它們用在哪裡? 各有什麼優缺點呢?

這是不少攝友們共同的疑問，許多民眾閱讀到 CMOS 規格總是看過卻不懂。如果你有相同狀況，請一定要閱讀這篇精華介紹。

為方便各位讀者檢索閱讀，本文將分成多個部份說明 (現在支援文章內跳躍，請點擊目錄小標直接切換段落/Part):

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#1 前照式 CMOS (傳統 CMOS) 與背照式 CMOS

#2 堆疊式 CMOS

#3 背照堆疊式 CMOS

#4 EOS R5 與 SONY A1 的比較，前照式 CMOS vs 堆疊式CMOS

#5 結論

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#1 前照式 CMOS (傳統CMOS) 與背照式 CMOS

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#1 前照式 CMOS(傳統CMOS)與背照式CMOS的起源

CMOS image sensor，是在 1993 年由美國科學家 Eric Fossum 與 NASA JPL 團隊共同開發的一種感測元件。當時的研發主要目的是為了取代 CCD 影像感測器，製作出縮小款的太空船相機系統。

下圖是 CMOS 影像感測器的構造，也稱為 FSI CMOS 感光元件(Front-side illuminated CMOS、前照式 CMOS、正面照射 CMOS)。 (日文: 表面照射型撮像素子)

其運作方式，為光線通過晶片上微透鏡(on-chip lens) 與彩色濾光片(color filter) 後，還要穿越金屬布線層(metal wiring)、接收光線的表面，才能到達真正接受光線的光電二極體基板(photo-dildo)。

由於光線必須穿過這麼多層才能被偵測到，因此會有很大的光損失。

為什麼? 主要是金屬布線層為不透明的，光只能從縫隙間透過去。還有，部份光子甚至會在金屬線路層上反彈，導致影像品質降低。

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(以上圖片為 Cmglee 作品，CC BY-SA 4.0)

背照式 CMOS image sensor (Back-illuminated CMOS 或 BSI-CMOS) 的發明可以追溯到 2000 年代初期，當時索尼公司的一組研究人員率先提出這個概念。

不過，商業化 BSI-CMOS 影像感測器之濫觴始於 2008 年，當年索尼公司推出世界上第一款 BSI-CMOS 影像感測器的商用產品，並同時開啟了 SONY Exmor R 系列。(日文: 裏面照射型撮像素子)

下圖是背照式 CMOS 影像感測器的構造。它與 FSI CMOS 最明顯的差異，在於金屬布線層與光電二極體層對調了位置。

BSI CMOS 和 FSI CMOS 在技術上大致相同，只是光讀取之順序有差別。

在 BSI 感光元件中，光線通過晶片微透鏡、彩色濾鏡、接收光線的表面，就直接進入捕捉光線的光電二極體基板。將光轉換為電信號的所有金屬線路與電路，則位於相機感光元件的背面。

假設所有條件相等的情況下，BSI CMOS 能接收的光線會比 FSI CMOS 更多。

為什麼? 主要是 BSI CMOS 構造之光接收已擺脫金屬布線層之影響，最多 100% 光線都可被光電二極體基板接收到。

從半導體晶片製造的角度來看，背照式 CMOS 擁有比 FSI CMOS 更多的金屬布線層。當金屬布線層越複雜，製造時間便越長。同時也會增加布線失敗等問題的機率，因此每平方面積的產量較低。

在 2008 年以前，CMOS 影像感測器只有一種前照式構造，所以不用特別區分便知道是指那一種。但 BSI CMOS 影像感測器出現後，原來的 CMOS 會被加註為 FSI CMOS 或傳統 CMOS，以方便區別兩者的不同。

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(以上圖片為 Cmglee 作品，CC BY-SA 4.0)

BSI CMOS 的優點:

(1)捕捉更多光線

BSI 感光元件可以捕捉多達 100％的光線，而 FSI 感光元件通常只能捕捉 30％至80％的光線 (因為金屬接線層會擋光)。

(2)降噪
搭載 BSI CMOS 的相機可以使用比 FSI CMOS 相機更高的 ISO 值，且產生的噪點較少。

(3)更快的信號傳輸和錄影能力
使用 BSI CMOS 技術的相機，通常能支援更快的 AF 系統和更好的連拍速度。

(4)更好的低光性能
搭載 BSI 感光元件的相機，數字噪點水平顯著改善。

BSI 感光元件的缺點？

(1)製造複雜度高
BSI CMOS 製造過程複雜，無法在單一自下而上的裝配線中完成。新的製造流程涉及兩層矽基板，工廠需要在裝配所有元件後，將第一層矽層變薄以提高感光度。

(2)增加成本
將 BSI 感測器的其中一個矽層變薄，將導致製造的良率變低，因為損壞機會變高了。而且生產線必須重新設計，以納入 BSI CMOS 之專屬製程，種種原因讓 BSI CMOS 感測器的生產成本比較高昂。

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(以上圖片來自 SONY)

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#2 堆疊式 CMOS

傳統 CMOS 感光元件捕捉影像，需要透過電路板匯流排，將全部數據傳輸到影像處理器。

這種設計在追求高速連拍時將形成通訊瓶頸，由於捕捉和傳輸過程需要較長時間，便影響了前端感光元件的讀取效能。

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為了讓數位相機感光元件讀取速度更快，相機製造商添加了一個內建信號處理單元的記憶層。

這種設計稱為 Stacked CMOS 或堆疊式 CMOS 影像感測器。

整合式記憶體和信號處理單元被連接到感光元件上，扮演感光元件和影像處理器之間的緩衝區角色。

由於它直接連接到感光元件，因此能用最快速度捕捉與傳輸所有資料，此時感光元件的讀取速度顯著提高了。

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簡單說，堆疊式 CMOS 晶片比 BSI CMOS 更先進。

開發者將元件以類似 BSI CMOS 方式排列，但設計時把影像信號處理器及超快速 DRAM 記憶體堆疊在同一個矽晶片中，這使得讀取效能變超快。

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堆疊式 CMOS image sensor 的發展也要歸功於索尼公司。在 2012 年，SONY 推出世界第一款堆疊式 CMOS 影像感測器，並形成 Exmor RS 系列。(日文: 積層型CMOSイメージセンサー「Exmor RS」)

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堆疊式 CMOS 影像感測器應用廣泛，在數位相機、智慧型手機，和其他眾多消費電子產品中都可以看到。

全世界第一款主流的堆疊式 CMOS 相機，是 2017 年發表的 Sony A9，它提供一種不間斷的拍攝體驗，拍攝者可以在不失去場景視野的情況下，以 20 fps 的速度拍攝照片。

2021 年的 SONY A1 也搭載了 Exmor RS 堆疊式 CMOS (50.1 MP)。

根據 TechInsights 的報告，NIKON Z 9 (2021/10 發表) 搭載的 45.7 百萬像素堆疊式 CMOS，是由 Sony Semiconductor 製造的 IMX609AQJ。以 Z 9 為基礎的 NIKON Z 8 (2023/5 發表)，兩者感測器性能相仿，基本上是同一顆堆疊式 CMOS。

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