什麼是背照式感光元件? 什麼是堆疊式結構感光元件? 同是感光元件,又為何區分這些不同的規格? 而背照式感光元件又有何優點? 堆疊式感光元件又有什麼優點,本篇聊攝影,來為大家簡單介紹背照式感光元件、堆疊式感光元件的基本認識。
= 什麼是背照式感光元件 =
背照式感光元件 Becklighting ,也稱為 BSI 感光元件,在了解什麼是背照式的感光元件之前,我們同時要介紹「前照式感光元件」。
.前照式感光元件
市面上「絕大多數」的相機,基本上都是採用「前照式感光元件」,前照式感光元件製程較為成熟,成本較低,他的結構如下。
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圖01
前照式感光元件,在光線照射下來,會先經過「微透鏡 Micro-lens」,再經過「色彩濾鏡 Color Filter」,再穿過「電路層 Wiring Layers」,最後抵達「光電二極體 Photodiodes」。
可以留意上圖的「受光面」的位置,基於「電路層」以及「光電二極體」之間,最主要影響光線抵達受光面的,就是前面的電路層。這個電路層為金屬材質,影響了光線進來的總量之外,同時也會造成光線的折射,影響最後受光面光線的品質。
而抵達受光面積的光線越少,品質越差,最能表現的缺點是是,當使用高感光度的 ISO 值,噪點自然就會變多,所以理想上,是否可以將受光面移到上層一點? 這就是「背照式感光元件」的結構
.背照式感光元件
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圖02
背照式感光元件,設計結構上就顯的理想、直覺、聰明許多,直接把「光電二極體」與「電路層」上下交換一下位置,讓「受光面」直接接觸在「色彩濾鏡」下,這樣子光線就無需再穿越電路層,可以直達到受光面,如此一來可以獲得較佳的光線品質。
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圖03
簡單說,所謂的「背照式」感光元件,與「前照式」最大的不同點,就是「光電二極點」與「電路層」二個上下交換一下位置,這樣子的設計,就能達到入光的光線最好的品質。
.背照式感光元件優點
背照式感光元件,由於受光面直接在色彩濾鏡底下,光線直照下可以獲得較速的品質,在「高感光度」的表現上,就有著明顯的差別。
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圖04
我們拿二台規格近似的主機,分別是前照式感光元件 Canon EOS R6m2,以及背照式感光元件 Nikon Z6M2,在高感光度 ISO6400 下的表現,可以明顯感受出背照式感光元件設計的 Nikon Z6M2 ,在高感光度下,遠優於 Canon EOS R6M2 的表現,雖然最後照片成像的結果,還有包含複雜的過程等變數,但是可以得到一個結論 – 背照式感光元件,確實在受光表現較為優異下,得到較佳的畫質。
= 堆疊式感光元件 =
所謂的「堆疊式感光元件」,跟「前照式感光元件」「背照式感光元件」,有什麼不同? 他們之前沒有因果與必然的關係,堆疊式感光元件,只是「訊號處理層」與「受光感光元件層」之間的關係而已。
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圖05
我們借用 Sony 官方的資料來說明,所謂的「堆疊式感光元件」,指的是「像素區域」與「訊號處理電路」分層分開來,像素區域在前方,將資料傳輸到下層「高速訊號處理電路」,最後再交由「影像處理引擎。
這樣子的好處是,訊號處理電路,不用跟像素區域「卡在一起」,既然都彼此分層分開處理,就可以在有限的區域面積下,塞入更多的設計元素,比如「內建記憶體」,可以當作是影像資料的緩衝區,達成「高速讀取、處理資料」的效果。
既然堆疊式設計有這些好處,那又為何不全面採用? 原因也很簡單,因為堆疊式設計製作難度高,成本高,也只有在旗艦機種,比如 Nikon Z8/Z9、Sony A1/A9,Canon EOS R3/R5M2 等等機種,以具備這種結構設計。
= 背照式與堆疊式的關係 =
或許看到這裡,也許會有人會問,那麼背照式感光元件,就一定是堆疊式感光元件嗎? 其實二者之間,並沒有「一定的關係」。
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圖06
一開始談到「前照式 V.S. 背照式」感光元件,指的是像素區域的組成不同,跟其它的「高速處理電路 & 內建記憶體」是不同關係的。
但是「通常來說」採用堆疊式感光元件,大多都是背照式感光元件,但背照式感光元件,不見得是堆疊式感光元件,比如 Nikon Z62,就是背照式感光元件,但不是堆疊式感光元件,甚至還有不同的設計。
.半堆疊式感光元件
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以 Nikon Z6III 為例,他不但維持了「背照式感光元件」的像素區域設計,同時將訊號處理層部分推至前端,官方說法是「半堆疊式感光元件」,帶來的好處就是擁有高速的讀出 read out 的性能,提昇連拍性能,以及高幀率、高格數的錄影規格。
= 結語 =
我們了解了「前照式 V.S. 背照式」感光元件,在於像素區域的設計上的不同,背照式感光元件,將「受光面 & 光電二極體」移到上層,受光好,優點在於高感度表現上,會擁有更好的畫質。
接著我們了解「堆疊式」感光元件設計,是將訊號處理層,移到像素區域下層,就不用與像素區域彼此爭奪有限的空間,既然處號處理層移至下方,就可以塞入 DRAM 做為快取記憶體,以加強連拍、錄影等大量資料的需求。
至於「背照式」與「堆疊式」是否有因果關係? 這兩者是「沒有關係」,背照式 CMOS 只是「像素區域層」的結構不同,跟「訊號處理層」是沒有直接關係的。
但是看看現今的產品,採用堆疊式感光元件設計,幾乎都是「背照式」,但背照式CMOS,不見得是堆疊式設計。
希望這裡能給大家對於「背照式CMOS」 「堆疊式CMOS」有進一步的認識。