整天都说背照式 究竟什么是背照式CMOS？

　　提到背照式CMOS，相信很多朋友首先会联想到智能手机等小型影像记录设备。在三星NX1、索尼α7R II等产品登场之后，是时候重新审视背照式技术了。
　　名词：背照式CMOS
　　全称：背部照射式CMOS
　　英文：Back-Illuminated CMOS，缩写为BI CMOS；或BackSide Illumination CMOS，缩写为BSI CMOS

　　想要弄清楚背照式中“背”的含义，就必须要先了解传统CMOS──前照式（FrontSide Illumination，缩写为FSI）的结构。

一、前照式CMOS
　　CMOS是一个多层结构。在传统FSI结构中，自上至下依次为微透镜（Micro-lens）、彩色滤光镜（Color Filter）、电路层（Wiring Layers）和光电二极管（Photodiodes）。

前照式CMOS结构（源自：东芝官网）

　　不难发现：CMOS总面积 ≈ 光电二极管有效面积 + 电路层有效面积，光电二极管和配套电路需要争抢感光元件上有限的空间。
　　电路占据的面积大，光电二极管占据的面积就小，CMOS实际收集的光线就少。对于智能手机、便携数码相机等小型影像记录设备来说，这就意味着成像质量难以提升，最集中表现就是高ISO拍摄时的噪点大、杂讯多。
　　那么，能否减少电路面积呢？首先，现代CMOS普遍采用集成模数转换电路（ADC）的做法，1列光电二极管对应1个ADC和1套放大电路。想要提升像素数量、提高读取速度就必须增加配套电路。

二、背照式CMOS
　　在BSI结构中，光电二极管和电路层的位置发生了调换，自上至下依次为微透镜（Micro-lens）、彩色滤光镜（Color Filter）、光电二极管（Photodiodes）和电路层（Wiring Layers）。

背照式CMOS结构（源自：东芝官网）

　　这带来了两个好处：
　　1.光电二极管可以接收到更多光线（开口率更大），使CMOS具有更高灵敏度和信噪比，改善高ISO下的成像质量。
　　2.配套电路无需再和光电二极管争抢面积，更大规模的电路有助于提高速度，实现超高速连拍、超高清短片拍摄等功能。

索尼RX100（普通CMOS）与RX100 II（背照式CMOS）的信噪比成绩（源自：DxO）

　　值得一提的是，由于光电二极管层上移、卡口率更大，BSI CMOS可以更充分地吸收大角度入射光线。在使用传统CMOS的α7R上，索尼通过微透镜优化提升边缘质量（芯片位置匹配技术）；而在使用BSI CMOS的α7R II上，索尼就不需要再做特殊优化──当然，如果加上微透镜优化自然是极好的，但改善幅度不会有传统CMOS来的明显。
　　当然，任何事物都有两面性，背照式CMOS也不例外。由于电路层变得密度更高，电路和电路之间不可避免地会产生干扰。其结果就是低感光度下的信噪比可能会有所下降。

¤　温馨提示
　　为什么没有背照式CCD
　　CCD的成像原理与CMOS不同，不需要1列像素对应1个ADC和1套放大电路，所以受电路面积的影响小。

三、继续延伸
　　背照式结构是堆叠式（Stacked）结构的基础，所以第N代堆叠式CMOS也被称作第N+1代背照式CMOS（如IMX214是索尼的第2代堆叠式CMOS，也被称作第3代背照式CMOS）。
　　为了解决背照式结构中电路层的串扰问题，三星在2014年2月推出了ISOCELL技术。ISOCELL是普通BSI CMOS的进一步发展，其核心是在像素之间形成物理屏蔽。根据三星公布的官方数据，ISOCELL的串扰比普通BSI CMOS低约30%。

普通BSI CMOS（左）与三星ISOCELL（右）对比

四、重要时间点
　　1990年代，背照式概念被提出，但由于生产加工要求很高，因此无法实现量产化。
　　2007年，OmniVision对外展示了BSI CMOS样品。
　　2009年2月，索尼实现BSI CMOS量产化并注册了Exmor R商标。首批搭载Exmor R CMOS的产品包括索尼HDR-XR520、HDR-XR500摄像机（2009-2），索尼DSC-WX1、DSC-TX1便携数码相机（2009-9），索尼爱立信Cyber-shot S006拍照手机（2010-10）。
　　2011年10月，苹果iPhone 4S的主摄像头搭载了索尼生产的BSI CMOS。
　　2013年6月，索尼推出搭载1英寸约2020万像素BSI CMOS的数码相机RX100 II。
　　2014年9月，三星推出搭载APS-C画幅约2820万像素BSI CMOS的无反相机NX1。
　　2015年6月，索尼推出搭载搭载35mm全画幅约4240万像素BSI CMOS的无反相机α7R II。
　　目前，有能力生产BSI CMOS的厂商包括索尼、Omnivision、东芝、松下、三星、Aptina等。

¤　温馨提示
　　索尼CMOS商标
　　在索尼CMOS产品中，Exmor表示普通CMOS，Exmor R表示背照式CMOS，Exmor RS表示堆叠式CMOS。
　　本文转自太平洋电脑网