Back-Illuminated Sensor (BSI) ist eine CMOS-Sensorarchitektur, bei der die metallischen Leiterbahnen und die Ausleseelektronik hinter statt vor der lichtempfindlichen Photodioden-Schicht angeordnet sind, was die Lichtausbeute pro Pixel erheblich steigert.
Rubrik: Fotografie & Digital Imaging · Unterrubrik: Kameratechnik Fortgeschritten · Niveau: Profi Synonyme / Auch bekannt als: BSI-CMOS, Backside Illuminated, Rückseitig beleuchteter Sensor
Was ist ein Back-Illuminated Sensor?
Beim konventionellen Frontside-Illuminated (FSI) CMOS-Sensor liegt die Ausleseelektronik – bestehend aus Transistoren und Metallverbindungen – vor der Photodiode, also auf der Seite, von der das Licht einfällt. Diese Schaltkreise blockieren einen Teil des Lichts und reduzieren den sogenannten Füllfaktor (Fill Factor) – den Anteil der Pixeloberfläche, der tatsächlich Licht empfängt.
Beim BSI-Sensor wird der Wafer nach der Fertigung umgedreht und gedünnt, sodass das Licht nun direkt auf die Rückseite der Photodioden trifft, ohne Metallschichten überwinden zu müssen. Das Ergebnis: mehr Licht pro Pixel, besserer Signal-Rausch-Abstand, besonders bei kleinen Pixeln oder schwachem Licht.
Erklärung
FSI vs. BSI: Der Vergleich
Bei einem FSI-Sensor passiert Licht zunächst eine Mikrolinsenschicht, dann die Metallverdrahtung und erst dann die Photodiode. Jede Metallschicht absorbiert oder streut einen Teil des Lichts. Bei größeren Pixeln (z. B. Vollformatsensoren) ist dieser Verlust tolerierbar. Bei kleinen Pixeln (z. B. Smartphone-Kameras oder kleinen Sensoren) macht er einen spürbaren Unterschied.
BSI dreht diesen Signalweg um: Das Licht trifft direkt auf die Photodiode, ohne Umwege. Der Füllfaktor steigt auf nahezu 100 %.
Stacked CMOS (Gestapelter Sensor)
Die Weiterentwicklung von BSI ist der Stacked CMOS-Sensor. Hier werden zwei separate Siliziumschichten übereinander gestapelt (gebondet):
- Obere Schicht: Pixel-Array mit Photodioden (BSI-Architektur)
- Untere Schicht: Signalverarbeitung, RAM-Puffer, ADC
Durch die physische Trennung von Lichtempfang und Signalverarbeitung können beide Schichten unabhängig voneinander optimiert werden. Die untere Schicht kann in einem anderen Fertigungsprozess hergestellt werden und enthält oft dedizierte DRAM-Puffer für extrem schnelle Auslesegeschwindigkeiten.
Vorteile des Stacked CMOS:
- Sehr schnelle Auslesegeschwindigkeit (reduziert Rolling Shutter)
- Hohe Burst-Raten
- Integrierter DRAM ermöglicht Super-Slow-Motion (z. B. 4K/120fps)
- Niedrige Latenz bei AF-Systemen
Bekannte Stacked-CMOS-Implementierungen
- Sony Exmor RS: Sonys Bezeichnung für Stacked CMOS in Smartphones (ab iPhone 6s) und Kameras
- Sony A1, A9 III, FX3: Vollformat-Stacked-CMOS
- Canon R3: CMOS mit Back-Illuminated-Technologie und schnellem Readout
Beispiele
| Technologie | Typische Anwendung | Vorteil gegenüber FSI |
|---|---|---|
| FSI CMOS | Ältere DSLRs, Einsteigerkameras | Günstig, bewährt |
| BSI CMOS | Mittelklasse Systemkameras | Besser bei Low-Light |
| Stacked CMOS | Profi-Systemkameras, Smartphones | Schnell + rauscharm |
| Stacked + DRAM | Sony A1, A9 III, Flaggschiff-Phones | Maximale Performance |
In der Praxis
Auswirkungen auf Bildqualität
BSI-Sensoren zeigen besonders in Situationen mit wenig Licht messbar bessere Ergebnisse. Typische Verbesserungen gegenüber FSI bei gleichem Pixelpitch: ca. 0,5–1 EV besserer Signal-Rausch-Abstand. Bei Vollformatsensoren, die ohnehin große Pixel haben, fällt der Unterschied geringer aus als bei Smartphones.
Bedeutung für Video
Stacked-CMOS-Sensoren haben die Videofotografie revolutioniert. Ohne DRAM-Puffer wäre ein kontinuierliches 4K/120fps-Video mit einem Mobiltelefon nicht realisierbar. Bei Systemkameras ermöglicht der Stacked-Sensor Pro-res-RAW, hohe Burst-Raten und quasi Rolling-Shutter-freie Aufnahmen.
Kosten und Verfügbarkeit
BSI ist heute in praktisch allen modernen CMOS-Sensoren der Mittel- bis Spitzenklasse Standard. Stacked CMOS mit DRAM-Puffer bleibt einer teureren Klasse vorbehalten, wird aber zunehmend erschwinglich.
Vergleich & Abgrenzung
| Merkmal | FSI | BSI | Stacked CMOS |
|---|---|---|---|
| Lichtausbeute | Standard | +20–40 % | +20–40 % |
| Auslesegeschwindigkeit | Niedrig | Mittel | Sehr hoch |
| Rolling Shutter | Deutlich | Reduziert | Minimal |
| Kosten | Niedrig | Mittel | Hoch |
| Typische Kameras | Ältere DSLR | Mittelklasse MLC | Profi MLC |
Häufige Fragen (FAQ)
Ist BSI bei Vollformat-Sensoren wichtig? Weniger als bei kleinen Sensoren, weil Vollformat-Pixel ohnehin groß genug sind, um viel Licht einzufangen. Für Video und Burst-Geschwindigkeit ist jedoch der Stacked-Aspekt entscheidend.
Haben alle neueren Kameras BSI-Sensoren? Nicht alle, aber die meisten Mittelklasse- und Profi-Kameras ab etwa 2018 nutzen BSI oder Stacked CMOS. Einsteigerkameras und günstige Modelle setzen teils noch auf FSI.
Was ist der Unterschied zwischen BSI und Stacked? BSI beschreibt die Beleuchtungsgeometrie (Licht von hinten). Stacked beschreibt die physische Schichtung zweier Siliziumwafer. Ein Stacked-Sensor ist immer auch BSI, aber nicht umgekehrt.
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Weiterführend
- Theuwissen, Albert J. P. (2008): CMOS Image Sensors: State-of-the-Art. In: Solid-State Electronics, 52 (9), S. 1401–1406.
- Fossum, Eric R. / Hondongwa, D. B. (2014): A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors. In: IEEE Journal of the Electron Devices Society, 2 (3), S. 33–43.
- Sony Semiconductor (2022): Stacked CMOS Image Sensor Technology: From BSI to Stacked DRAM. Sony Semiconductor Solutions, Kumamoto.
- Ohta, Jun (2008): Smart CMOS Image Sensors and Applications. CRC Press, Boca Raton, FL.
