CMOS 新技術

[kai]

great for astronomy in the foreseeable future i guess [水汪汪]


CMOSイメージセンサーの画素構造（表面照射型）とは異なり、シリコン基板の裏面側から光を照射することで、約2倍*1の感度や低ノイズなどの撮像特性を大幅に向上させた裏面照射型CMOSイメージセンサー（画素サイズ1.75um角、有効画素数500万画素、60フレーム/秒）の試作開発に成功しました。
　具体的には、同じ画素サイズの当社従来型画素構造のCMOSイメージセンサーに比べ、SN比で＋8dB（感度＋6dB、ノイズ－2dB）*1を実現しました。当社は、この裏面照射型CMOSイメージセンサーにより、民生用のデジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラのさらなる高画質化の実現に貢献してまいります。

　これまで、民生用のデジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラでは、主に、被写体の細部まで映し出す高い解像力や携帯性を重視した機器の小型化が求められてきました。また、これらの要求を実現するため、イメージセンサーでは撮像特性を維持しつつ、画素サイズの小型化に向けた開発が行われてきました。しかし、近年、高解像度や小型化の継続的要求に加えて、最低被写体照度の向上や高速度撮像などへの要求が高まり、その実現のために、イメージセンサーにはSN比をはじめとした総合的な画質向上への期待が高まっています。
　ソニーは、CMOSイメージセンサーの持つ低消費電力や高速性といったメリットを活かしつつ、画素の基本構造を表面照射型から裏面照射型に根本的に変えることで、高画質化への重要な要素である感度向上やノイズ低減を実現した裏面照射型CMOSイメージセンサー（画素サイズ1.75um角、有効画素数500万画素、60フレーム/秒）の試作開発に成功しました。
　従来の表面照射型では、受光部（フォトダイオード）を形成した基板表面側の上の配線やトランジスタがオンチップレンズで集光した入射光の妨げになり、画素の小型化や光の入射角変化における課題となっていました。
　裏面照射型では、シリコン基板を反転させた面（裏面側）から光を照射させることで、配線やトランジスタの影響を受けることなく単位画素に入る光の量を増大させるとともに、光の入射角変化に対する感度低下を抑えることが可能です。しかしながら、裏面照射型では通常の表面照射型と比較して、その構造や工程に起因したノイズ、暗電流、欠陥画素、混色など、イメージセンサーの画質低下につながる課題が発生し、SN比を低下させてしまいます。
　そのため、ソニーでは、裏面照射型に最適化した独自のフォトダイオード構造とオンチップレンズを新たに開発し、その結果、従来型と比較して、感度＋6dB*1の改善およびノイズ、暗電流、欠陥画素を低減し、暗時ランダムノイズの－2dB*1の改善を実現しました。また、高精度アライメント技術により、混色の課題も克服しました。
　ソニーは、CCDイメージセンサーで培ってきた高画質化画素技術に加え、独自の列並列カラムAD変換技術とデュアルノイズリダクション技術を用いた“Exmor”など、CMOSイメージセンサーの高画質化/高速化技術の開発を進めてまいりました。今回、新構造の裏面照射型CMOSイメージセンサーを開発することで、更なる高感度化および低ノイズ化を実現しました。加えて、裏面照射型では配線層の多層化や自由なトランジスタ構成が可能となるので、更なる高速化、高ダイナミックレンジ化など、さまざまな展開が期待できます。ソニーは、今後も画素の微細化に加え、より使いやすく、かつ高画質なセンサーの実現に向けて、開発を進めてまいります。[/url][/quote]

中文資料: copy from sina.com
背照射（back-illuminated）CMOS圖像感光元件（像素尺寸：1.75μm正方形像素，500萬有效像素，60幀/秒），它顯著提高了成像特性，包括具有近兩倍的靈敏度和低噪點的特性。不同于傳統上的基于前照射技術的CMOS圖像感光元件，背照射結構技術通過照射硅基板的背部提升了成像性能。

　　與同尺寸像素大小的索尼CMOS圖像感光元件相比，這款新開發的CMOS圖像感光元件實現了+8dB的信噪比（6dB靈敏度，-2dB噪點）。

這款背照射CMOS圖像感光元件（像素尺寸：1.75μm 正方形像素，500萬有效像素，60幀/秒）。這個元件具有提高圖像質量的關鍵性因素──更高的光靈敏度和更低的圖像噪點。

背照射結構，最小化了光學視角響應的靈敏度降低問題，同時通過把金屬線路和晶體管移至硅基板的另一面，減少了對採光的阻礙，大大增加了進入每個像素的光量。

然而，相比傳統的前照射結構，背照射結構通常會引起諸如噪點、暗電流、像素缺失和色彩混雜等導致圖像質量退化和信噪比降低的問題。

獨特的圖像二極管結構和為背照射結構而優化的片上透鏡，與傳統的前照射結構相比，通過減少噪點，暗電流和有缺陷的像素，實現了在無光情況下+6dB的更高靈敏度和-2dB的更低隨機噪點。

主要特征:

　　1) 改善了的光學波長靈敏度和光學視角響應
　　絕對靈敏度 (F5.6) +4.5dB
　　F-number (光圈) 依賴性 （F2.0/F5.6）+1.5dB
　　F-number (光圈) 靈敏度 　（F2.0）+6.0dB

　　2) 隨機噪點減少
　　無光情況下的噪點 -2.0dB

[CHYeung]

現在很多科學級(scientific grade)的光撿測器(包括成像用的檢測器)是背照射的CCD。迄今為止，CCD 的量子效率(quantum efficiency)仍高於CMOS。背照射CCD的量子效率己超過80% (http://www.ccd.com/ccd101.html)

上文所介紹的CMOS，因像素尺寸太小將導致動態範圍(dynamic range)縮窄。換句話說，即不能忠實紀錄光暗變化較大的影像。

YCH

[kai]

現在很多科學級(scientific grade)的光撿測器(包括成像用的檢測器)是背照射的CCD。迄今為止，CCD 的量子效率(quantum efficiency)仍高於CMOS。背照射CCD的量子效率己超過80% (http://www.ccd.com/ccd101.html)
上文所介紹的CMOS，因像素尺寸太小將導致動態範圍(dynamic range)縮窄。換句話說，即不能忠實紀錄光暗變化較大的影像。
YCH

謝謝你既資料: >dynamic range< 或者可否說是contrast普遍是CCD/CMOS 的問題,唯有希望佢地已經研究得較好, 見有其他一些討論都幾實用; 不過最令人欣喜既係佢地表示會普及應用, 如果唔用冷卻可以影到三兩分鐘已經好好了。

ps 點解咁耐先將研究作普及化...係咩原因, 分享下等...可以了解多一d都好

[CHYeung]

謝謝你既資料: >dynamic range< 或者可否說是contrast普遍是CCD/CMOS 的問題,唯有希望佢地已經研究得較好, 見有其他一些討論都幾實用; 不過最令人欣喜既係佢地表示會普及應用, 如果唔用冷卻可以影到三兩分鐘已經好好了。

ps 點解咁耐先將研究作普及化...係咩原因, 分享下等...可以了解多一d都好

Sorry to reply in English. I can only input Chinese by writing pad and that is very slow.

Dynamic range is not the same as contrast (反差). In short, dynamic range is the ratio of the highest signal to the lowest signal that can be recorded. CCD and CMOS are detectors that convert photons to electrons. The electrons are stored for a certain period of time (exposure time) before read out. The number of electrons that can be stored is limited and is proportional to the area occupied by each detector element (pixel).

Say for example, the lowest signal that can be recorded is one electron and the highest signal that can be recorded is 100,000 electrons; then the dynamic range is 100,000:1 or simply 100,000. Thus, smaller pixel size will lead to lower dynamic range. If the dynamic range is low, then either the brighter regions will all have the maximum level (or technically known as "saturated") or the darker region will all be having zero value. This is commonly observed in images of the moon, especially half moon. If you expose too long for the terminator then the other side will be all white (saturated). If you expose less so as the brighter limb is well exposed, then the darker terminator will be lost.

High dynamic range is preferred in photometry, astrometry as well as for beautiful images.

YCH

[kai]

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ps 點解咁耐先將研究作普及化...係咩原因, 分享下等...可以了解多一d都好

Sorry to reply in English. I can only input Chinese by writing pad and that is very slow.
Dynamic range is not the same as contrast (反差). In short, dynamic range is the ratio of the highest signal to the lowest signal that can be recorded. CCD and CMOS are detectors that convert photons to electrons. The electrons are stored for a certain period of time (exposure time) before read out. The number of electrons that can be stored is limited and is proportional to the area occupied by each detector element (pixel).

Say for example, the lowest signal that can be recorded is one electron and the highest signal that can be recorded is 100,000 electrons; then the dynamic range is 100,000:1 or simply 100,000. Thus, smaller pixel size will lead to lower dynamic range. If the dynamic range is low, then either the brighter regions will all have the maximum level (or technically known as "saturated") or the darker region will all be having zero value. This is commonly observed in images of the moon, especially half moon. If you expose too long for the terminator then the other side will be all white (saturated). If you expose less so as the brighter limb is well exposed, then the darker terminator will be lost.
High dynamic range is preferred in photometry, astrometry as well as for beautiful images.
YCH

Thanks for your clear explanation:
yes, I agree some what different of the explanation between contrast and dynamic range.
By wiki: http://en.wikipedia.org/wiki/Contrast
Some other people from outside use this terms (contrast) and i also agree the effect of result is quite similar, Similar to the sense of feeling in the film photo, ..

If sombody drop this term (contrast) in forum, Will u blame them off and should change the term of dynamic range ( DR) to clear separate the different from film and digital photo? What's your idea?

[kai]

Also... lower noise level ...
lower point of saturated ,
from the info of the company say ... WIll make higher sensitive of light.

Will it cause us 1 .use less time exposure
2. get nos. of stack more may easier to solve the problem and get good performance?

special THANKS CHYeung 16/06/2008
and Amoebahydra 18/06/2008

[CHYeung]

Thanks for your clear explanation:
yes, I agree some what different of the explanation between contrast and dynamic range.
By wiki: http://en.wikipedia.org/wiki/Contrast
Some other people from outside use this terms (contrast) and i also agree the effect of result is quite similar, Similar to the sense of feeling in the film photo, ..

If sombody drop this term (contrast) in forum, Will u blame them off and should change the term of dynamic range ( DR) to clear separate the different from film and digital photo? What's your idea?

Dynamic range and contrast are two different things. Dynamic range is referring to the actual range of signal that can be displayed, while contrast is related to how the data is displayed.

Both terms are used in film and digital imaging.


YCH

[Amoebahydra]

謝謝你既資料: >dynamic range< 或者可否說是contrast普遍是CCD/CMOS 的問題,唯有希望佢地已經研究得較好, 見有其他一些討論都幾實用; 不過最令人欣喜既係佢地表示會普及應用, 如果唔用冷卻可以影到三兩分鐘已經好好了。

ps 點解咁耐先將研究作普及化...係咩原因, 分享下等...可以了解多一d都好

Sorry to reply in English. I can only input Chinese by writing pad and that is very slow.

Dynamic range is not the same as contrast (反差). In short, dynamic range is the ratio of the highest signal to the lowest signal that can be recorded. CCD and CMOS are detectors that convert photons to electrons. The electrons are stored for a certain period of time (exposure time) before read out. The number of electrons that can be stored is limited and is proportional to the area occupied by each detector element (pixel).

Say for example, the lowest signal that can be recorded is one electron and the highest signal that can be recorded is 100,000 electrons; then the dynamic range is 100,000:1 or simply 100,000. Thus, smaller pixel size will lead to lower dynamic range. If the dynamic range is low, then either the brighter regions will all have the maximum level (or technically known as "saturated") or the darker region will all be having zero value. This is commonly observed in images of the moon, especially half moon. If you expose too long for the terminator then the other side will be all white (saturated). If you expose less so as the brighter limb is well exposed, then the darker terminator will be lost.

High dynamic range is preferred in photometry, astrometry as well as for beautiful images.

YCH

This is the reason why I always select digital camera/back with 9 micron rather than 7.4 micron sensor as that well size can truely deliver the bit depth claimed.