Підсвічений сенсор на задній панелі (англ, back-side illumination скорочено BSI), також відомий як підсвічений ззаду (back-illuminated скорочено BI) сенсор, — це тип цифрового сенсора зображення, який використовує нове розташування елементів зображення для збільшення кількості захопленого світла і, таким чином, поліпшення роботи в умовах слабкого освітлення.

Ця технологія деякий час використовувалася в спеціалізованих пристроях, таких як камери відеоспостереження для зйомки в умовах низької освітленості та астрономічні датчики, але була складною у виготовленні і потребувала подальшого вдосконалення, щоб стати масовою. Компанія Sony першою подолала ці проблеми і достатньо знизила витрати, щоб у 2009 році випустити на ринок 5-мегапіксельний BI КМОН-сенсор розміром 1,75 мкм за ціною, доступною для широкого кола споживачівSony, 2009. З того часу BI-сенсори від OmniVision Technologies використовуються в побутовій електроніці інших виробників, наприклад, в Android-смартфоні HTC EVO 4G, а також як головна перевага камери в iPhone 4 від AppleApple, 2010.

Опис Традиційна цифрова фотокамера з переднім освітленням побудована за принципом, схожим на людське око, з лінзою спереду і фотодетекторами ззаду. Така традиційна орієнтація датчика розміщує активну матрицю сенсора зображення цифрової камери — матрицю окремих елементів зображення — на її передній поверхні і спрощує виробництво. Однак матриця та її проводка блокують частину світла, і тому фотокатодний шар може приймати лише залишок вхідного світла; блокування зменшує сигнал, який можна захопити.

Підсвічений сенсор на задній панелі містить ті самі елементи, але проводка розташована за шаром фотокатода, для чого під час виробництва кремнієва пластина перевертається, а потім її зворотний бік роблять тоншим, щоб світло потрапляло на шар фотокатода, не проходячи через шар проводки. Ця зміна може підвищити ймовірність захоплення вхідного фотона з приблизно 60% до понад 90% Swain and Cheskis, 2008 (тобто на 1/2 ступеня швидше), найпомітніша різниця проявляється при малих розмірах пікселів, оскільки площа захоплення світла, отримана при переміщенні проводки з верхньої (падіння світла) на нижню поверхню (перефразовуючи конструкцію BSI), пропорційно більша для менших пікселів. Датчики BSI-КМОН є найбільш вигідними в умовах часткового сонячного світла та інших умовах слабкого освітлення. Розміщення проводки за світловими датчиками схоже на різницю між оком головоногого і оком хребетної тварини. Орієнтація транзисторів активної матриці за шаром фотокатода може призвести до цілого ряду проблем, таких як перехресні завади, що викликають шум зображення, темновий струм і змішування кольорів між сусідніми пікселями. Зменшення товщини також робить кремнієву пластину більш крихкою. Ці проблеми можна вирішити за допомогою вдосконалених виробничих процесів, але тільки за рахунок зменшення виробництва продукції і, як наслідок, підвищення цін. Попри ці проблеми, ранні датчики BI знайшли застосування в нішевих сферах, де важливою була краща продуктивність при слабкому освітленні. Ранні сфери застосування включали промислові датчики, камери безпеки, мікроскопні камери та астрономічні системи.

Інші переваги датчика BSI включають ширший кут чутливості (що забезпечує більшу гнучкість при проектуванні об'єктива) і більш високу швидкість зчитування. Недоліками вважають гіршу рівномірність чутливості.

Історія Оглядачі галузі відзначили у 2008 році, що підсвічений сенсор на задній панелі теоретично може коштувати менше, ніж аналогічна версія з переднім підсвічуванням. Здатність збирати більше світла означала, що матриця сенсора аналогічного розміру могла б забезпечити вищу роздільну здатність без зниження продуктивності в умовах слабкого освітлення, що інакше пов'язано з гонкою мегапікселів (MP). Альтернативно, таку саму роздільну здатність і продуктивність в умовах слабкого освітлення можна було б забезпечити на меншому чипі, знизивши витрати. Ключовим фактором для досягнення цих переваг було б вдосконалення процесу, що вирішувало б проблеми з врожайністю, головним чином за рахунок поліпшення однорідності активного шару на передній частині детекторів.

Важливим кроком у впровадженні BI-сенсорів стало те, що компанія OmniVision Technologies у 2007 році випустила перші зразки сенсорів, виготовлених за цією технологієюYoshida 2007. Однак ці сенсори не отримали широкого поширення через високу вартість. Першим широко використовуваним BI-сенсором став OmniVision OV8810, який був анонсований 23 вересня 2008 року і мав 8 мегапікселів розміром 1,4 мкм. OV8810 використовувався в HTC Droid Incredible і HTC EVO 4G, які були випущені відповідно в квітні та в червні 2009 року. В червні 2009 року OmniVision анонсувала 5-мегапіксельний OV5650, який мав найкращу чутливість при слабкому освітленні — 1300 мВ/люкс-сек — і найнижчу висоту стека — 6 мм — в галузі. Apple вибрала OV5650 для використання в задній камері iPhone 4, яка отримала хороші відгуки за фотографії при слабкому освітленні.

Робота Sony над новими матеріалами та технологіями для фотодіодів дозволила компанії представити у серпні 2009 року свій перший споживчий підсвічений сенсор на задній панелі на основі КМОН під назвою «Exmor R». За даними Sony, новий матеріал забезпечував сигнал +8 дБ та шум −2 дБ. У поєднанні з новою схемою заднім підсвічуванням, сенсор покращив продуктивність в умовах слабкого освітлення удвічі. В iPhone 4S використовувався сенсор зображення виробництва Sony. У 2011 році Sony впровадила датчик Exmor R у свій флагманський смартфон Sony Ericsson Xperia Arc.

У жовтні 2012 року компанія GoPro вперше застосувала сенсор Sony IMX117 як BSI-сенсор у своїх екшн-камерах Hero3 Black.

У вересні 2014 року Samsung анонсувала перший у світі сенсор APS-C, що використовує технологію BSI-пікселів. Цей 28-мегапіксельний сенсор (S5KVB2) був використаний у новій мініатюрній системі камер NX1 і був представлений разом з камерою на виставці Photokina 2014.

У червні 2015 року Sony анонсувала першу камеру з повнокадровим підсвіченим сенсором на задній панелі, α7R II.

У серпні 2017 року Nikon анонсувала, що її майбутня повнокадрова цифрова дзеркальна камера Nikon D850 буде мати підсвічений сенсор на задній панелі на своєму новому 45,7-мегапіксельному сенсорі.

У вересні 2018 року Fujifilm анонсувала вихід X-T3, бездзеркальної камери зі змінними об'єктивами, з 26,1-мегапіксельним APS-C Fujifilm X-Trans підсвіченим сенсором на задній панелі.

У квітні 2021 року Ricoh випустила Pentax K-3 III з 26-мегапіксельним APS-C-сенсором BSI від Sony і процесором зображення PRIME V.

Складені КМОН Подальшим розвитком є багатошаровий КМОН-сенсор, в якому мікросхеми та процесор обробки зображень (ISP) розташовані за пікселями, що дозволяє активним пікселям займати ще більшу площу, ще більше покращити можливості захоплення світла. Компанія Sony, яка в січні 2012 року анонсувала перший багатошаровий сенсор, стверджує, що він забезпечує збільшення світлочутливості на 30 %. Багатошаровий КМОН також дозволяє використовувати більш складні схеми обробки, просто збільшивши кількість шарів, що забезпечує більш високу частоту кадрів і швидкість зчитування.

У серпні 2012 року Sony випустила на ринок свою технологію багатошарових сенсорів під назвою Exmor RS з роздільною здатністю 13 і 8 ефективних мегапікселів.

У квітні 2021 року Canon оголосила, що її нова камера EOS R3 буде мати 35-мм повнокадровий, підсвічуваний, багатошаровий КМОН-сенсор і процесор обробки зображень DIGIC X.

У травні 2021 року Sony анонсувала новий матричний підсвічений сенсор для формату Micro Four Thirds, IMX472-AAJK.

У травні 2022 року Fujifilm випустила на ринок свій перший матричний сенсор, X-Trans 5 HS, який використовується в Fujifilm X-H2S.

Примітки

Бібліографія

(Sony), «Sony unveils 'Exmor R' back-illuminated CMOS technology», Sony press release, 6 серпня 2009 P.K. Swain and David Cheskis, «Back-Illuminated Image Sensors Come to the Forefront», Photonics, Серпень 2008 Junko Yoshida, «OmniVision adopts backside illumination technology for CMOS imager», EE Times, 27 травня 2007 (Apple), «iPhone 4: Camera», Apple Inc., 7 червня 2010

Посилання

Список CCD сенсорів Hamamatsu Backthinned CCD з тоншою задньою частиною, що використовується в камерах безпеки Вступ до мікроскопії з квантовою ефективністю CCD з заднім підсвічуванням: підвищення світлочутливості