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；背照式CMOS則像過完年回來的行李箱，想著辦法地還能多裝一點，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）。
 

▲一個典型的貝爾濾波CMOS結(jié)構(gòu)。光線經(jīng)過微透鏡組，被濾光鏡過濾為紅、綠、藍(lán)三種光，穿過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面。
 
于是乎，在芯片這種狹小結(jié)構(gòu)中，像元形成了一種類似井的成像結(jié)構(gòu)，叫做“阱”。這些層疊的金屬電路層，會阻擋和反射一部分入射光，等光線到達(dá)光電二極管的時候已經(jīng)被層層盤剝，只剩下70%不到。這個過程學(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。
 
這個由結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的問題，在暗場環(huán)境或者高感光度拍攝時會尤為突出。要么整個畫面漆黑一片，顯微鏡下發(fā)生核戰(zhàn)爭你都不一定能看到。要么整個畫面雜點噪聲眾多，顆粒感強的你都想摔顯微鏡。
 
所以背照式的CMOS芯片就應(yīng)運而生了。
 
前置感光的背照式CMOS
背照式CMOS英文為Back-Illuminated CMOS，縮寫為BI CMOS；或BackSide Illumination CMOS，縮寫為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，同前照式來說剛好相反，光線可以幾乎沒有阻擋和干擾地被光電二極管捕獲，因此光線的利用率高。同時沒有了遮擋，開口更大，使CMOS擁有更高的靈敏度和信噪比，這一點在低照度環(huán)境下表現(xiàn)的尤為突出。
 

▲背照、前照兩種CMOS的結(jié)構(gòu)對比，以及顯微鏡下的結(jié)構(gòu)比對。能夠清晰明了的明白為什么背照式更適合暗場環(huán)境應(yīng)用。
 
其實，背照式的概念早在1990年就被提出過，但是受制于當(dāng)時的生產(chǎn)制造水平，背照式成像芯片無法實現(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PCO是科學(xué)成像領(lǐng)域的老前輩了，旗下sCMOS相機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95%。支持液體或風(fēng)扇制冷，低可制冷低過-25℃，此時暗噪聲僅有 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線纜即可同時高速傳輸數(shù)據(jù)和供電。整機小巧緊湊，僅有80×85×102.8mm，實在是實驗室用戶的選擇！
 

▲至今走出過33位諾貝爾獎獲得者的德國馬克斯·普朗克學(xué)會，在《DNA折紙瞬態(tài)結(jié)合熒光成像的單分子動力學(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。可以明顯看出pco.edge 4.2 bi（左）與普通黑白款前照式sCMOS（右）的成像差別。