前照式CMOS更像是放高利贷的，借十给九还十三这是规矩，量子效率很难高的起来；背照式CMOS则像过完年回来的行李箱，想着办法地还能多装一点，因此特别适合低照度环境。

 
结构性挡光的前照式CMOS

CMOS芯片是由好多层结构反复搭建而成的。在传统结构中，自上而下依次为微透镜组（Micro-lens）、彩色滤光镜（Color Filter）、电路层（Wiring Layers）和光电二极管（Photodiodes）。

▲一个典型的贝尔滤波CMOS结构。光线经过微透镜组，被滤光镜过滤为红、绿、蓝三种光，穿过很多层狭小的电路层后，分别被自己的光电二极管接收到，从而形成一副彩色画面。

于是乎，在芯片这种狭小结构中，像元形成了一种类似井的成像结构，叫做“阱”。这些层叠的金属电路层，会阻挡和反射一部分入射光，等光线到达光电二极管的时候已经被层层盘剥，只剩下70%不到。这个过程学名叫做“量子效率”。而且，这种反射还有可能串扰旁边的像素，发生一种本来应该是蓝光的光子却被绿光二极管接收到了，从而在一定概率上发生颜色失真。

这个由结构产生的问题，在暗场环境或者高感光度拍摄时会尤为突出。要么整个画面漆黑一片，显微镜下发生核战争你都不一定能看到。要么整个画面杂点噪声众多，颗粒感强的你都想摔显微镜。

所以背照式的CMOS芯片就应运而生了。

前置感光的背照式CMOS

背照式CMOS英文为Back-Illuminated CMOS，缩写为BI CMOS；或BackSide Illumination CMOS，缩写为BSI CMOS。在背照式BSI结构中，光电二极管和电路层的位置发生了调换，自上至下依次为微透镜（Micro-lens）、彩色滤光镜（Color Filter）、光电二极管（Photodiodes）和电路层（Wiring Layers）。

背照式CMOS的金属排线层以及光电二极管的位置，同前照式来说刚好相反，光线可以几乎没有阻挡和干扰地被光电二极管捕获，因此光线的利用率较高。同时没有了遮挡，开口更大，使CMOS拥有更高的灵敏度和信噪比，这一点在低照度环境下表现的尤为突出。

▲背照、前照两种CMOS的结构对比，以及显微镜下的结构比对。能够清晰明了的明白为什么背照式更适合暗场环境应用。

其实，背照式的概念早在1990年就被提出过，但是受制于当时的生产制造水平，背照式成像芯片无法实现量产。即便是现在，背照式成像芯片依然仅仅活跃在科研领域。

▲德国PCO是科学成像领域的老司机了，旗下sCMOS相机edge系列较新加入背照式sCMOS新品pco.edge 4.2 bi。

pco.edge 4.2 bi使用一块2048×2048分辨率的16bit sCMOS芯片，在背照式结构的加持下，量子效率超过95%。支持液体或风扇制冷，最低可制冷低过-25℃，此时暗噪声仅有 0.2 e-/pixel/s，一举打破背照式CMOS金属电路层密度高所带来的信噪比下降谜团！

pco.edge 4.2 bi满分辨率下可以达到较高40fps，仅使用一根USB 3.1 Gen1线缆即可同时高速传输数据和供电。整机小巧紧凑，仅有80×85×102.8mm，实在是实验室用户的理想选择！

▲至今走出过33位诺贝尔奖获得者的德国马克斯·普朗克学会，在《DNA折纸瞬态结合荧光成像的单分子动力学和超分辨显微术》中使用pco.edge 4.2 bi拍摄的超分辨率cos7细胞图像。可以明显看出pco.edge 4.2 bi（左）与普通黑白款前照式sCMOS（右）的成像差别。