Датчик с задней подсветкой , также известный как датчик с задней подсветкой ( BI ), представляет собой тип цифрового датчика изображения , в котором используется новое расположение элементов изображения для увеличения количества улавливаемого света и, таким образом, улучшения характеристик при слабом освещении.
Эта технология некоторое время использовалась в специализированных целях, таких как камеры безопасности с низкой освещенностью и астрономические датчики, но была сложной в изготовлении и требовала дальнейшей доработки для широкого использования. Sony была первой, кто уменьшил эти проблемы и их стоимость в достаточной степени, чтобы представить 5-мегапиксельный 1,75 мкм BI CMOS-датчик по обычным потребительским ценам в 2009 году. [1] [2] BI-датчики от OmniVision Technologies с тех пор использовались в потребительской электронике других производителей, например, в смартфоне HTC EVO 4G [3] [4] Android, и в качестве основного аргумента в пользу камеры в iPhone 4 от Apple . [5] [6]
Традиционная цифровая камера с фронтальной подсветкой сконструирована по принципу человеческого глаза , с линзой спереди и фотодетекторами сзади. Эта традиционная ориентация сенсора размещает активную матрицу сенсора изображения цифровой камеры — матрицу отдельных элементов изображения — на ее передней поверхности и упрощает производство. Однако матрица и ее проводка блокируют часть света, и, таким образом, фотокатодный слой может принимать только оставшуюся часть входящего света; блокировка уменьшает сигнал, который доступен для захвата. [1]
Датчик с задней подсветкой содержит те же элементы, но размещает проводку за слоем фотокатода, переворачивая кремниевую пластину во время производства, а затем утончая ее обратную сторону так, чтобы свет мог попадать на слой фотокатода, не проходя через слой проводки. [7] Это изменение может повысить вероятность захвата входного фотона с примерно 60% до более чем 90%, [8] (т.е. на 1/2 ступени быстрее), при этом наибольшая разница достигается при небольшом размере пикселя, [ нужна ссылка ] поскольку площадь захвата света, полученная при перемещении проводки с верхней (падающий свет) на нижнюю поверхность (перефразируя конструкцию BSI), пропорционально больше для меньшего пикселя. [ нужна ссылка ] Датчики BSI-CMOS наиболее выгодны при частичном солнечном свете и других условиях низкой освещенности. [9] Размещение проводки за датчиками света аналогично разнице между глазом головоногих и глазом позвоночных . Ориентация активных матричных транзисторов за слоем фотокатода может привести к множеству проблем, таких как перекрестные помехи , которые вызывают шум изображения , темновой ток и смешивание цветов между соседними пикселями. Утончение также делает кремниевую пластину более хрупкой. Эти проблемы можно было решить путем улучшения производственных процессов, но только за счет снижения выхода годных и, следовательно, более высоких цен. Несмотря на эти проблемы, ранние датчики BI нашли применение в нишевых ролях, где были важны их лучшие характеристики при слабом освещении. Ранние применения включали промышленные датчики, камеры безопасности, микроскопические камеры и астрономические системы. [8]
Другие преимущества датчика BSI включают более широкий угловой отклик (что дает большую гибкость для проектирования линз) и, возможно, более высокую скорость считывания. Недостатки включают худшую однородность отклика.
Наблюдатели отрасли [ кто? ] отметили (в 2008 году), что датчик с задней подсветкой теоретически может стоить меньше, чем аналогичная версия с передней подсветкой. Способность собирать больше света означала, что массив датчиков аналогичного размера мог бы обеспечить более высокое разрешение без снижения производительности при слабом освещении, которое в противном случае ассоциировалось бы с гонкой мегапикселей (МП). В качестве альтернативы, то же разрешение и возможности при слабом освещении могли бы быть предложены на меньшем чипе, что снизило бы затраты. Ключом к достижению этих преимуществ был бы улучшенный процесс, который решил бы проблемы выхода годных, в основном за счет улучшения однородности активного слоя на передней части детекторов. [8]
Важный шаг в принятии BI-датчиков был сделан, когда OmniVision Technologies испытали свои первые датчики, использующие эту технологию, в 2007 году. [10] Однако эти датчики не получили широкого распространения из-за их высокой стоимости. Первым широко используемым BI-датчиком был OmniVision OV8810, который был анонсирован 23 сентября 2008 года и содержал 8 мегапикселей размером 1,4 мкм. [11] OV8810 использовался в HTC Droid Incredible [12] и HTC EVO 4G , [4] [3] , которые были выпущены в апреле и июне 2009 года соответственно. В июне 2009 года OmniVision анонсировала 5-мегапиксельную OV5650, [13] которая имела лучшую чувствительность при слабом освещении в 1300 мВ/люкс-сек и самую низкую высоту стека в 6 мм в отрасли. [14] Apple выбрала OV5650 для использования в задней камере iPhone 4, которая получила хорошие отзывы за фотографии, сделанные при слабом освещении. [15]
Работа Sony над новыми фотодиодными материалами и процессами позволила им представить свой первый потребительский датчик с задней подсветкой в качестве своего датчика на основе CMOS " Exmor R " в августе 2009 года. [1] По данным Sony, новый материал обеспечивал +8 дБ сигнала и −2 дБ шума. В сочетании с новой схемой с задней подсветкой датчик улучшил производительность при слабом освещении в два раза. [1] В iPhone 4s использовался датчик изображения, произведенный Sony. В 2011 году Sony внедрила свой датчик Exmor R в свой флагманский смартфон Sony Ericsson Xperia Arc . [16]
В октябре 2012 года GoPro использовала датчик Sony IMX117 в качестве первого датчика BSI в своих экшн-камерах, в Hero3 Black. [17]
В сентябре 2014 года Samsung анонсировала первый в мире датчик APS-C , использующий технологию пикселей BSI. [18] [3] Этот 28-мегапиксельный датчик (S5KVB2) был использован в их новой компактной системной камере NX1 и был представлен вместе с камерой на выставке Photokina 2014 .
В июне 2015 года Sony анонсировала первую камеру, использующую полнокадровую матрицу с обратной подсветкой — α7R II . [3]
В августе 2017 года компания Nikon объявила, что ее готовящаяся к выпуску полнокадровая цифровая зеркальная фотокамера Nikon D850 будет оснащена новой матрицей с тыловой подсветкой и разрешением 45,7 МП.
В сентябре 2018 года компания Fujifilm объявила о выпуске X-T3 — беззеркальной камеры со сменной оптикой , оснащенной 26,1-мегапиксельной матрицей APS-C Fujifilm X-Trans с обратной подсветкой. [19]
В апреле 2021 года компания Ricoh выпустила камеру Pentax K-3 III с 26-мегапиксельной матрицей APS-C BSI от Sony и процессором обработки изображений PRIME V.
Дальнейшим развитием является многослойный датчик CMOS , [3] который наслаивает схему и процессор сигнала изображения (ISP) за пикселями, позволяя активному пикселю занимать еще большую площадь, еще больше увеличивая вероятность захвата света. Sony, которая анонсировала первый многослойный датчик в январе 2012 года, заявляет об увеличении улавливаемого света на 30%. [20] Многослойный CMOS также позволяет использовать более сложную схему обработки, просто увеличивая количество слоев, что обеспечивает более высокую частоту кадров и скорость считывания. [21]
В августе 2012 года Sony вывела на рынок свою технологию многослойных датчиков под названием Exmor RS с разрешением 13 и 8 эффективных мегапикселей. [22]
В апреле 2021 года компания Canon объявила, что их новая камера EOS R3 будет оснащена 35-миллиметровым полнокадровым CMOS- датчиком с обратной подсветкой и процессором обработки изображений DIGIC X. [23]
В мае 2021 года Sony анонсировала новый многослойный датчик с задней подсветкой для формата Micro Four Thirds — IMX472-AAJK. [24]
В мае 2022 года компания Fujifilm выпустила на рынок свой первый многослойный датчик X-Trans 5 HS, используемый в Fujifilm X-H2S . [25]