Podświetlany czujnik - Back-illuminated sensor
Czujnik powrotem oświetlona , znany również jako oświetlenie kupra ( BSI lub BI ) czujnika jest typu cyfrowego przetwornika obrazu , która wykorzystuje nowe rozmieszczenie elementów obrazu na zwiększenie ilości światła przechwytywane, a tym samym poprawić słabym oświetleniu.
Technika ta była używana przez pewien czas w wyspecjalizowanych rolach, takich jak kamery bezpieczeństwa przy słabym oświetleniu i czujniki astronomiczne, ale była skomplikowana w budowie i wymagała dalszego udoskonalenia, aby stała się powszechnie stosowana. Sony był pierwszym, aby zmniejszyć te problemy i ich koszty na tyle, aby wprowadzić 5-megapikselowy 1,75 um BI czujnik CMOS w ogólnych konsumpcyjnych cen w 2009. czujników BI z OmniVision Technologies zostały już wykorzystane w elektronice użytkowej innych producentów jak w HTC EVO Smartfon 4G z systemem Android i jako główny punkt sprzedaży aparatu w iPhonie 4 firmy Apple .
Opis
Tradycyjny, podświetlany aparat cyfrowy z przodu jest skonstruowany w sposób podobny do ludzkiego oka , z obiektywem z przodu i fotodetektorami z tyłu. Ta tradycyjna orientacja czujnika umieszcza aktywną matrycę czujnika obrazu aparatu cyfrowego — matrycę poszczególnych elementów obrazu — na jego przedniej powierzchni i upraszcza produkcję. Matryca i jej okablowanie odbijają jednak część światła, a zatem warstwa fotokatody może odbierać tylko pozostałą część wchodzącego światła; odbicie zmniejsza sygnał, który jest dostępny do przechwycenia.
Podświetlany czujnik zawiera te same elementy, ale układa okablowanie za warstwą fotokatody, odwracając płytkę krzemową podczas produkcji, a następnie pocieniając jej odwrotną stronę, aby światło mogło paść na warstwę fotokatody bez przechodzenia przez warstwę okablowania. Ta zmiana może zwiększyć szansę na przechwycenie fotonu wejściowego z około 60% do ponad 90% (tj. o 1/2 stopnia szybciej), przy czym największą różnicę uzyskuje się, gdy rozmiar piksela jest mały, ponieważ obszar przechwytywania światła uzyskany podczas przesuwania okablowanie od góry (światło padające) do dolnej powierzchni (parafrazując projekt BSI) jest proporcjonalnie mniejsze dla większego piksela. Czujniki BSI-CMOS są najbardziej korzystne w przypadku częściowego nasłonecznienia i innych warunków słabego oświetlenia. Umieszczenie przewodów za czujnikami światła jest podobne do różnicy między okiem głowonoga a okiem kręgowca . Umiejscowienie aktywnych tranzystorów matrycowych za warstwą fotokatody może prowadzić do wielu problemów, takich jak przesłuchy , które powodują szumy , ciemne prądy i mieszanie kolorów między sąsiednimi pikselami. Rozcieńczenie sprawia również, że wafel krzemowy jest bardziej kruchy. Problemy te można rozwiązać poprzez usprawnienie procesów produkcyjnych, ale tylko kosztem niższych wydajności, a co za tym idzie wyższych cen. Pomimo tych problemów, wczesne czujniki BI znalazły zastosowanie w rolach niszowych, gdzie istotna była ich lepsza wydajność przy słabym oświetleniu. Wczesne zastosowania obejmowały czujniki przemysłowe, kamery bezpieczeństwa, kamery mikroskopowe i systemy astronomiczne.
Inne zalety czujnika BSI obejmują szerszą odpowiedź kątową (daje większą elastyczność w projektowaniu obiektywu) i prawdopodobnie szybsze szybkości odczytu. Wady to gorsza jednolitość odpowiedzi.
Obserwatorzy branżowi zauważyli, że czujnik z podświetleniem tylnym może teoretycznie kosztować mniej niż podobna wersja z podświetleniem przednim. Zdolność do zbierania większej ilości światła oznaczała, że matryca czujników o podobnej wielkości może oferować wyższą rozdzielczość bez spadku wydajności przy słabym oświetleniu, co jest związane z wyścigiem megapikselowym (MP). Alternatywnie, ta sama rozdzielczość i zdolność do słabego oświetlenia mogą być oferowane na mniejszym chipie, co obniża koszty. Kluczem do osiągnięcia tych korzyści byłby ulepszony proces, który rozwiązałby problemy z wydajnością, w dużej mierze poprzez poprawę jednorodności warstwy aktywnej z przodu detektorów.
Ważnym krokiem we wdrażaniu czujników BI był fakt, że w 2007 r. firma OmniVision Technologies spróbowała swoich pierwszych czujników przy użyciu tej techniki. Czujniki te nie znalazły jednak szerokiego zastosowania ze względu na wysokie koszty. Pierwszym szeroko stosowanym czujnikiem BI był OmniVision OV8810, który został ogłoszony 23 września 2008 roku i zawierał 8 megapikseli o wielkości 1,4 µm. OV8810 był używany w HTC Droid Incredible i HTC EVO 4G , które zostały wydane odpowiednio w kwietniu i czerwcu 2009 roku. W czerwcu 2009 OmniVision ogłosił 5MP OV5650, który miał najlepszą czułość w słabym świetle 1300 mV/lux-sec i najniższą wysokość stosu 6 mm w branży. Apple wybrał OV5650 do użycia w tylnym aparacie iPhone'a 4, który zebrał dobre recenzje za zdjęcia w słabym świetle.
Prace Sony nad nowymi materiałami i procesami fotodiod pozwoliły na wprowadzenie w sierpniu 2009 r. pierwszego konsumenckiego czujnika podświetlanego jako „ Exmor R ” opartego na CMOS. . W połączeniu z nowym podświetlanym układem czujnik nawet dwukrotnie poprawił działanie przy słabym oświetleniu. W iPhone 4s zastosowano czujnik obrazu wyprodukowany przez Sony. W 2011 roku Sony wdrożyło czujnik Exmor R w swoim flagowym smartfonie Sony Ericsson Xperia Arc .
W styczniu 2012 r. Sony opracowało czujnik z podświetleniem tylnym za pomocą technologii Stacked CMOS , w której obwody pomocnicze zostały przesunięte poniżej aktywnej sekcji pikseli, co daje kolejne 30% poprawę możliwości przechwytywania światła. Został on skomercjalizowany przez Sony w sierpniu 2012 roku jako Exmor RS o rozdzielczościach 13 i 8 efektywnych megapikseli.
We wrześniu 2014 r. Samsung ogłosił pierwszą na świecie matrycę APS-C , w której zastosowano technologię pikseli BSI. Ten 28-megapikselowy czujnik (S5KVB2) został zastosowany w ich nowym kompaktowym aparacie systemowym NX1 i został zaprezentowany wraz z aparatem na targach Photokina 2014 .
W czerwcu 2015 r. Sony ogłosiło pierwszy aparat z pełnoklatkową matrycą podświetlaną z tyłu — model α7R II .
W sierpniu 2017 r. firma Nikon ogłosiła, że jej nadchodzący Nikon D850 , pełnoklatkowa cyfrowa lustrzanka jednoobiektywowa, będzie miała podświetlany czujnik na nowym czujniku 45,7 MP.
We wrześniu 2018 r. Fujifilm ogłosiła dostępność X-T3 , bezlusterkowego aparatu z wymiennymi obiektywami , z matrycą APS-C Fujifilm X-Trans o rozdzielczości 26,1 megapiksela z podświetleniem wstecznym.
W kwietniu 2021 r. firma Canon ogłosiła, że nowy model R3 będzie wyposażony w pełnoklatkowy, podświetlany od tyłu przetwornik CMOS 35 mm i procesor obrazu DIGIC X.
W maju 2021 r. Sony ogłosiło nowy, podświetlany, ułożony czujnik dla formatu Mikro Cztery Trzecie.
Zobacz też
Bibliografia
Bibliografia
- (Sony) , „ Sony przedstawia technologię CMOS Exmor R z podświetleniem wstecznym ”, informacja prasowa Sony, 6 sierpnia 2009 r.
- PK Swain i David Cheskis, „ Czujniki obrazu z podświetleniem tylnym wychodzą na pierwszy plan ”, Photonics , sierpień 2008
- Junko Yoshida, „ OmniVision wykorzystuje technologię tylnego oświetlenia do przetwornika obrazu CMOS ”, EE Times , 27 maja 2007 r.
- (Apple) , „ iPhone 4: Aparat ”, Apple Inc., 7 czerwca 2010 r.