提到背照式CMOS,，相信很多朋友首先會聯(lián)想到智能手機等小型影像記錄設(shè)備?，F(xiàn)在主流的手機的攝像頭均采用了背照式和堆棧式兩種類型的傳感器,。

想要弄清楚背照式中“背”的含義，就必須要先了解傳統(tǒng)CMOS——前照式（FrontSide Illumination,，縮寫為FSI）的結(jié)構(gòu),。

 前照式CMOS 

CMOS是一個多層結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)FSI結(jié)構(gòu)中,，自上至下依次為微透鏡（Micro-lens）,、彩色濾光鏡（Color Filter）、電路層（Wiring Layers）和光電二極管（Photodiodes）,。

不難發(fā)現(xiàn)：CMOS總面積 ≈ 光電二極管有效面積 + 電路層有效面積,，光電二極管和配套電路需要爭搶感光元件上有限的空間。

電路占據(jù)的面積大,，光電二極管占據(jù)的面積就小,，CMOS實際收集的光線就少。對于智能手機,、便攜數(shù)碼相機等小型影像記錄設(shè)備來說,，這就意味著成像質(zhì)量難以提升，最集中表現(xiàn)就是高ISO拍攝時的噪點大,、雜訊多,。

那么，能否減少電路面積呢,？首先,，現(xiàn)代CMOS普遍采用集成模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC）的做法，1列光電二極管對應(yīng)1個ADC和1套放大電路,。想要提升像素數(shù)量,、提高讀取速度就必須增加配套電路。

傳統(tǒng)的CMOS “前照式”結(jié)構(gòu),，當(dāng)光線射入像素,，經(jīng)過了片上透鏡和彩色濾光片后，先通過金屬排線層,，最后光線才被光電二極管接收,。

大家都知道金屬是不透光的，而且還會反光,。所以,，在金屬排線這層光線就會被部分阻擋和反射掉，光電二極管吸收的光線能就只有剛進來的時候的70％或更少,；而且這反射還有可能串?dāng)_旁邊的像素,，導(dǎo)致顏色失真。（目前中低檔的CMOS排線層所用金屬是比較廉價的鋁（Al）,，鋁對整個可見光波段（380～780nm）基本保持90％左右的反射率,。）

這樣一來,，“背照式”CMOS就應(yīng)運而出了，其金屬排線層和光電二極管的位置和“前照式”正好顛倒,，光線幾乎沒有阻擋和干擾地就下到光電二極管,，光線利用率極高，所以背照式CMOS傳感器能更好的利用照射入的光線,，在低照度環(huán)境下成像質(zhì)量也就更好了,。

 背照式CMOS 

背照式CMOS英文為Back-Illuminated CMOS，縮寫為BI CMOS,；或BackSide Illumination CMOS,，縮寫為BSI CMOS。在背照式BSI結(jié)構(gòu)中,，光電二極管和電路層的位置發(fā)生了調(diào)換,，自上至下依次為微透鏡（Micro-lens）、彩色濾光鏡（Color Filter）,、光電二極管（Photodiodes）和電路層（Wiring Layers）,。

這帶來了兩個好處：

1.光電二極管可以接收到更多光線（開口率更大），使CMOS具有更高靈敏度和信噪比,，改善高ISO下的成像質(zhì)量,。

2.配套電路無需再和光電二極管爭搶面積，更大規(guī)模的電路有助于提高速度,，實現(xiàn)超高速連拍,、超高清短片拍攝等功能。

由于光電二極管層上移,、卡口率更大,，BSI CMOS可以更充分地吸收大角度入射光線。在使用傳統(tǒng)CMOS的A7R上,，索尼通過微透鏡優(yōu)化提升邊緣質(zhì)量（芯片位置匹配技術(shù)）,；而在使用BSI CMOS的A7R II上，索尼就不需要再做特殊優(yōu)化——當(dāng)然,，如果加上微透鏡優(yōu)化自然是極好的，但改善幅度不會有傳統(tǒng)CMOS來的明顯,。

當(dāng)然,，任何事物都有兩面性，背照式CMOS也不例外,。由于電路層變得密度更高,，電路和電路之間不可避免地會產(chǎn)生干擾。其結(jié)果就是低感光度下的信噪比可能會有所下降,。

相比起普通的傳感器,，搭載背照式傳感器的攝像頭能夠在弱光環(huán)境下,，提高約30%—50%的感光能力，能夠在弱光下拍攝更高的質(zhì)量的照片,。

 背照式CMOS的重要發(fā)展歷程 

990年代,，背照式概念被提出，但由于生產(chǎn)加工要求很高,，因此無法實現(xiàn)量產(chǎn)化,。

2007年，OmniVision對外展示了BSI CMOS樣品,。

2009年2月,，索尼實現(xiàn)BSI CMOS量產(chǎn)化并注冊了Exmor R商標(biāo)。首批搭載Exmor R CMOS的產(chǎn)品包括索尼HDR-XR520,、HDR-XR500攝像機（2009-2）,，索尼DSC-WX1、DSC-TX1便攜數(shù)碼相機（2009-9）,，索尼愛立信Cyber-shot S006拍照手機（2010-10）,。

2011年10月，蘋果iPhone 4S的主攝像頭搭載了索尼生產(chǎn)的BSI CMOS,。

2013年6月,，索尼推出搭載1英寸約2020萬像素BSI CMOS的數(shù)碼相機RX100 II。

2015年6月,，索尼推出搭載搭載35mm全畫幅約4240萬像素BSI CMOS的無反相機A7RII,。

 背照式CMO的特點 

新型背照式CMOS傳感器得益于電子器件的制作工藝升級，至少在兩個方面有提升,。

第一個是在傳感器上的微透鏡性能更為提升,，以致經(jīng)過微透鏡后的光，入射到感光面上的角度更接近垂直,，而且微透鏡產(chǎn)生的色散,，眩光等不良效果會減弱，讓最終到達(dá)傳感器感光面的光較傳統(tǒng)的好,。

第二就是在大像素下依舊具有高速的處理能力,，這一點歸根到底是對比CCD傳感器而言的。CCD傳感器是需要將各像素點的電荷數(shù)據(jù)傳輸出來統(tǒng)一處理,，所以在像素大的時候速度比較難提高,，如果強行提高處理的帶寬就會造成噪點的增加。而CMOS傳感器在每一個像素點上都已經(jīng)將電荷轉(zhuǎn)化成了電壓數(shù)據(jù),，在提高大像素幀率上有比較大的空間,。

不過這兩個優(yōu)點并非被照式CMOS傳感器特有，是當(dāng)今新款的CMOS傳感器普遍都能做到的，這就是為什么越來越多數(shù)碼相機采用CMOS傳感器了,，畢竟大像素和高速的性能會直接影響最終消費者的選擇,。

用上背照式CMOS傳感器畫質(zhì)就會好了嗎？

既然背照式CMOS傳感器這么厲害,，是不是說配備了了它的數(shù)碼相機拍照就很牛了呢,？其實不是，決定數(shù)碼照片的畫質(zhì)除了核心部件傳感器外,，還有鏡頭以及處理算法等因素,。鏡頭的因素大家應(yīng)該都容易理解，因為光線到達(dá)傳感器之前是要通過鏡頭,。而各型號的相機使用的鏡頭不盡相同,，具體的質(zhì)素也當(dāng)然會有差異。

另外一個就是數(shù)據(jù)處理的方面,，因為從傳感器出來的數(shù)據(jù)還是要經(jīng)過數(shù)碼相機內(nèi)部的處理器來進行處理才能得到最終的照片數(shù)據(jù)（能輸出RAW格式的相機除外）,，換句話說就是有了原始材料，還需要做潤色才能出成品,。這部分就要看各個廠家的圖像處理算法了,，這就好比不同廚師會用的烹調(diào)方法來處理食材一樣，最終的圖片就會用不同的質(zhì)量,，不同的風(fēng)格,。

對比裝備了背照式CMOS傳感器的相機和其他相機的各檔位ISO畫質(zhì)，大體的結(jié)論是在低ISO的時候,，兩者相差不大,，但在高ISO時候的確有一定的提升。另外值得提及的一點就是,，裝備了背照式CMOS傳感器的相機在低光環(huán)境的對焦能力大大加強,，這是一個非常重要的提升。

另外,，背照式如果要用在單反上,，必須等壞點率進一步降低才行。單反的cmos多大,？小卡片機的cmos才有多大,？如果采用背照式的技術(shù)，單反cmos的良品率必然大大下降,。成本可是誰也承擔(dān)不起的,。

 堆棧式CMOS 

堆疊式CMOS最先出現(xiàn)在索尼推出的移動終端用CMOS上。堆疊式出現(xiàn)的初衷其實不是為了減少整個鏡頭模組的體積,，這個只是其附帶好處而已。

CMOS的制作和CPU的制作類似，需要特殊的光刻機對硅晶圓進行蝕刻,，形成像素區(qū)域（Pixel Section）和處理回路區(qū)域（Circuit Section）,。像素區(qū)域就是種植像素的地方，而處理回路顧名思義,，就是管理這一群像素的電路,。

為了提高像素集合光的效率，需要引入光波導(dǎo)管,。光波導(dǎo)管的干刻過程中,，硅晶圓和像素區(qū)域會有損傷，此時則要進行一個叫做“退火（annealing process）”的熱處理步驟,，讓硅晶圓和像素區(qū)域從損傷中恢復(fù)回來,，這時候需要將整塊CMOS加熱。好了,，問題來了,，這么一熱，同在一塊晶圓上的處理回路肯定有一定的損傷了,，原先已經(jīng)“打造”好了的電容電阻值,，經(jīng)過退火后肯定改變了，這種損傷必定會對電信號讀出有一定影響,。

還有一個問題,，索尼目前建有的移動終端用CMOS的制程是65納米干刻，這個65納米的工藝對于CMOS的像素區(qū)域的“種植”是完全足夠的,。但是處理回路區(qū)域的“打造”,，65納米是不夠的，如果能有30納米（實際提升至45nm制程）的工藝去打造電路,，那么處理回路上的晶體管數(shù)量就幾乎翻番,，其對像素區(qū)域的“調(diào)教”也就會有質(zhì)的飛躍，畫質(zhì)肯定相應(yīng)變好,。但因為是在同一塊晶圓上制作,，像素和回路區(qū)域需要在同一個制程下制作。

如此魚和熊掌不可兼得的事情,，假如解決了多好,！于是索尼的工程師打起了晶圓的基板的主意。

先來看這張結(jié)構(gòu)圖,。原來處理回路是和像素區(qū)域在同一塊晶圓上打造的,。

那么不妨把處理回路放到其它地方去。首先利用SOI和基板的熱傳導(dǎo)系數(shù)差異,，通過加熱將兩者分開,。像素區(qū)域放到65納米制程的機器上做,，處理回路則放到制程更高（45nm）的機器上做。然后在拼在一起,，堆棧式CMOS也就這樣誕生了,。

上邊遇到的兩個問題：①像素“退火”時回路區(qū)域躺著中槍；②在同一塊晶圓上制作時的制程限制,；均迎刃而解了,。

堆疊式不僅繼承了背照式的優(yōu)點（像素區(qū)域依然是背照式），還克服了其在制作上的限制與缺陷,。由于處理回路的改善和進步,，攝像頭也將能提供更多的功能，比如說硬件HDR,，慢動作拍攝等等,。

像素與處理回路分家的同時，攝像頭的體積也會變得更小,，但功能和性能卻不減,，反而更佳。像素區(qū)域（CMOS的尺寸）可以相應(yīng)地增大,，用來種植更多或者更大的像素,。處理回路也會的到相應(yīng)的優(yōu)化。

堆棧式CMOS使用有信號處理電路的芯片代替感光組件的電路部分及支持基板,，使得設(shè)備有極大的空間,，在此形成更多的像素部分，同時采用堆棧的方式使像素部分和電路芯片重疊,，堆棧的兩層相互依賴,像素層與模擬邏輯芯片無需再互搶所占空間,兩者相互獨立,，可單獨提高像素質(zhì)量及電路性能。

 堆棧式CMOS的優(yōu)點 

堆棧式傳感器是由背照式所發(fā)展而成的,，背照式傳感器是將感光層的光電二極管的位置換了一下,，而堆棧式傳感器則是把信號回路位置互換。而且,，堆棧式傳感器比背照式的的體積更加小,，畫質(zhì)方面也是作了更加好的優(yōu)化。

除此之外,，堆棧式傳感器相比起背照式的還擁有兩項技術(shù)來提升畫質(zhì)的,。

第一個就是堆棧式傳感器加入了RGBW的編碼技術(shù)，就是是由原來的R（紅）,，G（綠）,，B（藍(lán)）三原色像素點中再加入W（白）像素點來提升畫質(zhì)，提高傳感器的感光能力的,，使攝像頭在暗光環(huán)境下也能夠拍攝出質(zhì)量更高的照片,。

第二項就是堆棧式傳感器更加是支持硬件HDR功能,，硬件HDR英文名稱叫做“In-camera HDR”，它實現(xiàn)的原理是能夠精確地單獨控制每一行像素的曝光時間,，從而在傳感器層面上就實現(xiàn)原生的高動態(tài)范圍渲染,，有別于之前的軟件HDR技術(shù)一樣需要軟件，照相機綜合算法來合成,，所以照片生成的速度更快，而且可以實現(xiàn)HDR錄像,。

從以上的介紹可以看出,，堆棧式傳感器是從背照式傳感器進化提升而來的產(chǎn)品，也是由背照式的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,，堆棧式傳感器吸取了背照式的優(yōu)勢地方,，再彌補了其劣勢的地方，進行了更加全面的優(yōu)化升級,。除此之外,，堆棧式傳感器還可以兼顧背照式結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使到攝像頭的拍攝畫質(zhì)有了很大的提高,。

所以到現(xiàn)在,，越來越多的手機生產(chǎn)廠商推出的手機的攝像頭采用了堆棧式傳感器，憑借更優(yōu)秀的表現(xiàn),，堆棧式傳感器將會成為日后手機攝像頭的主流,。