Sensor retroiluminado

Un sensor retroiluminado , también conocido como sensor de iluminación posterior ( BI ), es un tipo de sensor de imagen digital que utiliza una disposición novedosa de los elementos de imagen para aumentar la cantidad de luz capturada y, de ese modo, mejorar el rendimiento con poca luz.

La técnica se utilizó durante algún tiempo en funciones especializadas, como cámaras de seguridad con poca luz y sensores astronómicos, pero era compleja de construir y requería un mayor refinamiento para que se usara ampliamente. Sony fue la primera en reducir estos problemas y sus costos lo suficiente como para introducir un sensor CMOS BI de 5 megapíxeles y 1,75 μm a precios de consumo general en 2009. ^{[1] [2]} Los sensores BI de OmniVision Technologies se han utilizado desde entonces en productos electrónicos de consumo de otros fabricantes, como en el teléfono inteligente HTC EVO 4G ^{[3] [4]} Android y como un importante argumento de venta para la cámara del iPhone 4 de Apple . ^{[5] [6]}

Una cámara digital tradicional con iluminación frontal está construida de manera similar al ojo humano , con una lente en la parte delantera y fotodetectores en la parte trasera. Esta orientación tradicional del sensor coloca la matriz activa del sensor de imagen de la cámara digital (una matriz de elementos de imagen individuales) en su superficie delantera y simplifica la fabricación. Sin embargo, la matriz y su cableado bloquean parte de la luz y, por lo tanto, la capa del fotocátodo solo puede recibir el resto de la luz entrante; los bloqueos reducen la señal que está disponible para ser capturada. ^[1]

Un sensor retroiluminado contiene los mismos elementos, pero organiza el cableado detrás de la capa del fotocátodo volteando la oblea de silicio durante la fabricación y luego adelgazando su lado inverso para que la luz pueda golpear la capa del fotocátodo sin pasar a través de la capa de cableado. ^[7] Este cambio puede mejorar la posibilidad de que se capture un fotón de entrada de aproximadamente el 60% a más del 90%, ^[8] (es decir, 1/2 paso más rápido) con la mayor diferencia realizada cuando el tamaño del píxel es pequeño, ^{[ cita requerida ]} ya que el área de captura de luz ganada al mover el cableado desde la superficie superior (luz incidente) a la inferior (parafraseando el diseño de BSI) es proporcionalmente más grande para un píxel más pequeño. ^{[ cita requerida ]} Los sensores BSI-CMOS son más ventajosos en condiciones de sol parcial y otras condiciones de poca luz. ^[9] Colocar el cableado detrás de los sensores de luz es similar a la diferencia entre un ojo de cefalópodo y un ojo de vertebrado . La orientación de los transistores de matriz activa detrás de la capa del fotocátodo puede provocar una serie de problemas, como la diafonía , que provoca ruido de imagen , corriente oscura y mezcla de colores entre píxeles adyacentes. El adelgazamiento también hace que la oblea de silicio sea más frágil. Estos problemas podrían resolverse mediante procesos de fabricación mejorados, pero solo a costa de rendimientos más bajos y, en consecuencia, precios más altos. A pesar de estos problemas, los primeros sensores de BI encontraron usos en funciones específicas en las que su mejor rendimiento con poca luz era importante. Los primeros usos incluyeron sensores industriales, cámaras de seguridad, cámaras de microscopio y sistemas astronómicos. ^[8]

Otras ventajas de un sensor BSI incluyen una respuesta angular más amplia (lo que brinda más flexibilidad para el diseño de lentes) y posiblemente velocidades de lectura más rápidas. Las desventajas incluyen una peor uniformidad de respuesta.

Los observadores de la industria ^{[ ¿quiénes? ]} observaron (en 2008) que un sensor retroiluminado podría costar teóricamente menos que una versión similar iluminada por delante. La capacidad de recoger más luz significaba que un conjunto de sensores de tamaño similar podría ofrecer una resolución más alta sin la caída del rendimiento con poca luz que de otro modo se asocia con la carrera de los megapíxeles (MP). Alternativamente, la misma resolución y capacidad con poca luz podrían ofrecerse en un chip más pequeño, lo que reduciría los costos. La clave para lograr estas ventajas sería un proceso mejorado que abordara los problemas de rendimiento, en gran medida mediante la mejora de la uniformidad de una capa activa en la parte delantera de los detectores. ^[8]

Un paso importante en la adopción de sensores BI se dio cuando OmniVision Technologies probó sus primeros sensores utilizando la técnica en 2007. ^[10] Sin embargo, estos sensores no tuvieron un uso generalizado debido a sus altos costos. El primer sensor BI ampliamente utilizado fue el OmniVision OV8810, que se anunció el 23 de septiembre de 2008 y contenía 8 megapíxeles con un tamaño de 1,4 μm. ^[11] El OV8810 se utilizó en el HTC Droid Incredible ^[12] y el HTC EVO 4G , ^{[4] [3]} que se lanzaron en abril y junio de 2009, respectivamente. En junio de 2009, OmniVision anunció el OV5650 de 5 MP, ^[13] que tenía la mejor sensibilidad con poca luz a 1300 mV/lux-seg y la altura de pila más baja a 6 mm en la industria. ^[14] Apple seleccionó el OV5650 para utilizarlo en la cámara trasera del iPhone 4, que obtuvo buenas críticas por sus fotos con poca luz. ^[15]

El trabajo de Sony en nuevos materiales y procesos de fotodiodos le permitió introducir su primer sensor retroiluminado para el consumidor, el " Exmor R " basado en CMOS, en agosto de 2009. ^[1] Según Sony, el nuevo material ofrecía una señal de +8 dB y un ruido de -2 dB. Cuando se combinó con el nuevo diseño retroiluminado, el sensor mejoró el rendimiento con poca luz hasta dos veces. ^[1] El iPhone 4s empleó un sensor de imagen fabricado por Sony. En 2011, Sony implementó su sensor Exmor R en su teléfono inteligente estrella, el Sony Ericsson Xperia Arc . ^[16]

En octubre de 2012, GoPro utilizó un sensor Sony IMX117 como el primer sensor BSI en sus cámaras de acción, en la Hero3 Black. ^[17]

En septiembre de 2014, Samsung anunció el primer sensor APS-C del mundo que adopta la tecnología de píxeles BSI. ^{[18] [3]} Este sensor de 28 MP (S5KVB2) fue adoptado por su nueva cámara de sistema compacto, la NX1, y se exhibió junto con la cámara en Photokina 2014 .

En junio de 2015, Sony anunció la primera cámara que emplea un sensor de fotograma completo con iluminación posterior : la α7R II . ^[3]

En agosto de 2017, Nikon anunció que su próxima Nikon D850 , una cámara SLR digital de fotograma completo , tendría un sensor retroiluminado en su nuevo sensor de 45,7 MP.

En septiembre de 2018, Fujifilm anunció la disponibilidad de la X-T3 , una cámara sin espejo con lentes intercambiables , con un sensor retroiluminado Fujifilm X-Trans APS-C de 26,1 MP. ^[19]

En abril de 2021, Ricoh lanzó la Pentax K-3 III con un sensor APS-C BSI de 26 megapíxeles de Sony y un procesador de imagen PRIME V.

Un desarrollo posterior es el sensor CMOS apilado ^[3] , que coloca los circuitos y el procesador de señal de imagen (ISP) detrás de los píxeles, lo que permite que el píxel activo ocupe aún más área, aumentando aún más la posibilidad de capturar luz. Sony, que anunció el primer sensor apilado en enero de 2012, afirma que se logró un aumento del 30% en la luz capturada ^[20] . El CMOS apilado también permite utilizar circuitos de procesamiento más complejos simplemente aumentando el número de capas, lo que permite velocidades de cuadros y de lectura más rápidas ^{[21] .}

En agosto de 2012, Sony comercializó su tecnología de sensores apilados como Exmor RS con resoluciones de 13 y 8 megapíxeles efectivos. ^[22]

En abril de 2021, Canon anunció que su nueva EOS R3 contaría con un sensor CMOS apilado, retroiluminado y de fotograma completo de 35 mm y un procesador de imagen DIGIC X. ^[23]

En mayo de 2021, Sony anunció un nuevo sensor apilado retroiluminado para el formato Micro Cuatro Tercios , IMX472-AAJK. ^[24]

En mayo de 2022, Fujifilm comercializó su primer sensor apilado, el X-Trans 5 HS, utilizado en la Fujifilm X-H2S . ^[25]

• Rectificado de obleas