[聊攝影360] 背照式、前照式、堆疊式感光元件結構介紹

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。

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

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。

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。

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。

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」。

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

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。