前照式CMOS更像是放高額借款的，借十給九還十三這是規(guī)矩，效率很難高的起來(lái)；背照式CMOS則像過(guò)完年回來(lái)的行李箱，想著辦法地還能多裝一點(diǎn)，因此特別適合低照度環(huán)境。
結(jié)構(gòu)性擋光的前照式CMOS
CMOS芯片是由好多層結(jié)構(gòu)反復(fù)搭建而成的。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，自上而下依次為微透鏡組（Micro-lens）、彩色濾光鏡（Color Filter）、電路層（Wiring Layers）和光電二極管（Photodiodes）。
▲一個(gè)典型的貝爾濾波CMOS結(jié)構(gòu)。光線經(jīng)過(guò)微透鏡組，被濾光鏡過(guò)濾為紅、綠、藍(lán)三種光，穿過(guò)很多層狹小的電路層后，分別被自己的光電二極管接收到，從而形成一副彩色畫(huà)面。
于是乎，在芯片這種狹小結(jié)構(gòu)中，像元形成了一種類(lèi)似井的成像結(jié)構(gòu)，叫做“阱”。這些層疊的金屬電路層，會(huì)阻擋和反射一部分入射光，等光線到達(dá)光電二極管的時(shí)候已經(jīng)被層層盤(pán)剝，只剩下70%不到。這個(gè)過(guò)程學(xué)名叫做“效率”。而且，這種反射還有可能串?dāng)_旁邊的像素，發(fā)生一種本來(lái)應(yīng)該是藍(lán)光的光子卻被綠光二極管接收到了，從而在一定概率上發(fā)生顏色失真。
這個(gè)由結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的問(wèn)題，在暗場(chǎng)環(huán)境或者高感光度拍攝時(shí)會(huì)尤為突出。要么整個(gè)畫(huà)面漆黑一片，顯微鏡下發(fā)生核戰(zhàn)爭(zhēng)你都不一定能看到。要么整個(gè)畫(huà)面雜點(diǎn)噪聲眾多，顆粒感強(qiáng)的你都想摔顯微鏡。
所以背照式的CMOS芯片就應(yīng)運(yùn)而生了。
前置感光的背照式CMOS
背照式CMOS英文為Back-Illuminated CMOS，縮寫(xiě)為BI CMOS；或BackSide Illumination CMOS，縮寫(xiě)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）。
背照式CMOS的金屬排線層以及光電二極管的位置，同前照式來(lái)說(shuō)剛好相反，光線可以幾乎沒(méi)有阻擋和干擾地被光電二極管捕獲，因此光線的利用率高。同時(shí)沒(méi)有了遮擋，開(kāi)口更大，使CMOS擁有更高的靈敏度和信噪比，這一點(diǎn)在低照度環(huán)境下表現(xiàn)的尤為突出。
▲背照、前照兩種CMOS的結(jié)構(gòu)對(duì)比，以及顯微鏡下的結(jié)構(gòu)比對(duì)。能夠清晰明了的明白為什么背照式更適合暗場(chǎng)環(huán)境應(yīng)用。
其實(shí)，背照式的概念早在1990年就被提出過(guò)，但是受制于當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)制造水平，背照式成像芯片無(wú)法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。即便是現(xiàn)在，背照式成像芯片依然僅僅活躍在科研領(lǐng)域。
▲德國(guó)PCO是科學(xué)成像領(lǐng)域的老前輩了，旗下sCMOS相機(jī)edge系列加入背照式sCMOS新品pco.edge 4.2 bi。
pco.edge 4.2 bi使用一塊2048×2048分辨率的16bit sCMOS芯片，在背照式結(jié)構(gòu)的加持下，效率超過(guò)95%。支持液體或風(fēng)扇制冷，低可制冷低過(guò)-25℃，此時(shí)暗噪聲僅有 0.2 e-/pixel/s，一舉打破背照式CMOS金屬電路層密度高所帶來(lái)的信噪比下降謎團(tuán)！
pco.edge 4.2 bi滿分辨率下可以達(dá)到高40fps，僅使用一根USB 3.1 Gen1線纜即可同時(shí)高速傳輸數(shù)據(jù)和供電。整機(jī)小巧緊湊，僅有80×85×102.8mm，實(shí)在是實(shí)驗(yàn)室用戶的選擇！
▲至今走出過(guò)33位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的德國(guó)馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)，在《DNA折紙瞬態(tài)結(jié)合熒光成像的單分子動(dòng)力學(xué)和超分辨顯微術(shù)》中使用pco.edge 4.2 bi拍攝的超分辨率cos7細(xì)胞圖像?？梢悦黠@看出pco.edge 4.2 bi（左）與普通黑白款前照式sCMOS（右）的成像差別。
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