Датчик с задней подсветкой
Датчик задней подсветки , также известный как датчик задней подсветки ( BI ), представляет собой тип цифрового датчика изображения , в котором используется новое расположение элементов изображения для увеличения количества улавливаемого света и тем самым улучшения характеристик при слабом освещении.
Некоторое время эта техника использовалась в специализированных целях, таких как камеры наблюдения при слабом освещении и астрономические датчики, но была сложна в изготовлении и требовала дальнейшей доработки, чтобы стать широко используемой. Sony была первой, кто уменьшил эти проблемы и их стоимость настолько, что в 2009 году представил 5-мегапиксельный BI CMOS-сенсор с разрешением 1,75 мкм по обычным потребительским ценам. [ 1 ] [ 2 ] Датчики BI от OmniVision Technologies с тех пор используются в бытовой электронике других производителей, например, в HTC EVO 4G. [ 3 ] [ 4 ] Android-смартфон, а также основной аргумент в пользу камеры iPhone 4 от Apple . [ 5 ] [ 6 ]
Описание
[ редактировать ]с фронтальной подсветкой Традиционная цифровая камера устроена аналогично человеческому глазу , с линзой спереди и фотодетекторами сзади. Такая традиционная ориентация датчика размещает активную матрицу цифровой камеры датчика изображения — матрицу отдельных элементов изображения — на его передней поверхности и упрощает изготовление. Однако матрица и ее проводка блокируют часть света, и, таким образом, слой фотокатода может принимать только остальную часть входящего света; блокировки уменьшают сигнал, который можно захватить. [ 1 ]
Датчик с обратной засветкой содержит те же элементы, но проводку размещает за слоем фотокатода, переворачивая кремниевую пластину во время производства, а затем утоняя ее обратную сторону, чтобы свет мог попадать на слой фотокатода, не проходя через слой проводки. [ 7 ] Это изменение может повысить вероятность входного фотона примерно с 60% до более 90%. захвата [ 8 ] (т.е. на 1/2 ступени быстрее), причем наибольшая разница проявляется при небольшом размере пикселя, [ нужна ссылка ] поскольку область захвата света, полученная при перемещении проводки от верхней (падающий свет) к нижней поверхности (перефразируя конструкцию BSI), пропорционально больше для меньшего пикселя. [ нужна ссылка ] Датчики BSI-CMOS наиболее эффективны при частичном солнечном свете и других условиях низкой освещенности. [ 9 ] Размещение проводки за датчиками света аналогично разнице между глазом головоногих моллюсков и глазом позвоночных . Расположение активной матрицы транзисторов за слоем фотокатода может привести к множеству проблем, таких как перекрестные помехи , которые вызывают шум изображения , темновой ток и смешение цветов между соседними пикселями. Утончение также делает кремниевую пластину более хрупкой. Эти проблемы можно решить за счет совершенствования производственных процессов, но только за счет снижения урожайности и, следовательно, повышения цен. Несмотря на эти проблемы, первые датчики BI нашли применение в нишевых сферах, где была важна их лучшая производительность при слабом освещении. Раннее использование включало промышленные датчики, камеры видеонаблюдения, камеры для микроскопов и астрономические системы. [ 8 ]
Другие преимущества датчика BSI включают более широкий угловой отклик (обеспечивающий большую гибкость при проектировании объектива) и, возможно, более высокую скорость считывания. К недостаткам можно отнести худшую однородность ответа.
История
[ редактировать ]Отраслевые обозреватели [ ВОЗ? ] отметил (в 2008 году), что датчик с задней подсветкой теоретически может стоить дешевле, чем аналогичная версия с передней подсветкой. Способность собирать больше света означала, что массив датчиков аналогичного размера мог обеспечить более высокое разрешение без снижения производительности при слабом освещении, которое иначе было бы связано с гонкой мегапикселей (МП). В качестве альтернативы то же разрешение и возможность работы в условиях низкой освещенности можно предложить на чипе меньшего размера, что снизит затраты. Ключом к достижению этих преимуществ мог бы стать усовершенствованный процесс, решающий проблемы с выходом, в основном за счет улучшения однородности активного слоя на передней части детекторов. [ 8 ]
Важным шагом на пути к внедрению датчиков BI стало то, что OmniVision Technologies опробовала свои первые датчики, использующие эту технологию, в 2007 году. [ 10 ] Однако эти датчики не получили широкого распространения из-за своей высокой стоимости. Первым широко используемым датчиком BI был OmniVision OV8810, анонсированный 23 сентября 2008 года, и он 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 ] который имел лучшую в отрасли чувствительность при слабом освещении (1300 мВ/люкс-сек) и самую низкую высоту стопки (6 мм). [ 14 ] Apple выбрала камеру OV5650 для использования в задней камере iPhone 4, которая получила хорошие отзывы за фотографии, сделанные при слабом освещении. [ 15 ]
Работа Sony над новыми материалами и технологиями фотодиодов позволила им представить в августе 2009 года свой первый потребительский датчик с обратной засветкой — на базе КМОП Exmor R . [ 1 ] По данным Sony, новый материал обеспечивает сигнал +8 дБ и шум -2 дБ. В сочетании с новой компоновкой с задней подсветкой датчик улучшил производительность при слабом освещении почти в два раза. [ 1 ] В iPhone 4s использовался датчик изображения производства Sony. В 2011 году Sony внедрила 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 Hero3 Black. [ 17 ]
В сентябре 2014 года Samsung анонсировала первый в мире датчик APS-C, использующий пиксельную технологию BSI. [ 18 ] [ 3 ] Этот датчик с разрешением 28 МП (S5KVB2) был использован в их новой компактной системной камере NX1 и был продемонстрирован вместе с камерой на выставке Photokina 2014 .
с задней подсветкой В июне 2015 года Sony анонсировала первую камеру с полнокадровой матрицей — α7R II . [ 3 ]
В августе 2017 года компания Nikon объявила, что ее будущая Nikon D850 камера полнокадровая цифровая зеркальная будет иметь датчик с задней засветкой на новом сенсоре с разрешением 45,7 МП.
В сентябре 2018 года Fujifilm объявила о выпуске X-T3 , беззеркальной камеры со сменной оптикой с сенсором APS-C и 26,1-мегапиксельной матрицей Fujifilm X-Trans и задней подсветкой. [ 19 ]
В апреле 2021 года Ricoh выпустила Pentax K-3 III с 26-мегапиксельным сенсором BSI APS-C от Sony и PRIME V. процессором изображений
Многоуровневая КМОП
[ редактировать ]Дальнейшим развитием является многоуровневая CMOS- матрица. [ 3 ] который размещает схему и процессор сигналов изображения (ISP) позади пикселей, позволяя активному пикселю занимать еще большую площадь, что еще больше увеличивает вероятность захвата света. Sony, анонсировавшая первый многослойный сенсор в январе 2012 года, заявляет об увеличении улавливаемого света на 30%. [ 20 ] Многоуровневая CMOS также позволяет использовать более сложные схемы обработки, просто увеличивая количество слоев, обеспечивая более высокую частоту кадров и скорость считывания. [ 21 ]
В августе 2012 года Sony коммерциализировала свою технологию многослойных сенсоров под названием Exmor RS с разрешением 13 и 8 эффективных мегапикселей. [ 22 ]
В апреле 2021 года компания Canon объявила, что ее новая камера EOS R3 будет оснащена 35-мм полнокадровой матрицей с задней подсветкой многоуровневой CMOS- и процессором 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 Fujifilm выпустила на рынок свой первый многослойный сенсор X-Trans 5 HS, используемый в Fujifilm X-H2S . [ 25 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Сони , 2009 г.
- ^ Патент США 7521335 , Яманака, Хидео, «Способ и устройство для производства сверхтонкого полупроводникового чипа, а также способ и устройство для производства ультратонкого твердотельного устройства съемки изображения с обратной подсветкой», выдан 21 апреля 2009 г., передан Sony Corporation.
- ^ Jump up to: а б с д и Циммерман, Стивен (12 октября 2016 г.). «Sony IMX378: Комплексный анализ сенсора Google Pixel и его функций» . Разработчики XDA . Проверено 17 октября 2016 г.
- ^ Jump up to: а б «Внутри смартфона HTC EVO 4G с разборкой кремния» . чипворкс. 4 июня 2010 года. Архивировано из оригинала 22 июля 2011 года . Проверено 3 августа 2011 г.
- ^ Туфегджич, Памела (3 сентября 2010 г.). «iPhone 4 способствует внедрению датчиков изображения BSI в смартфонах» . iSuppli. Архивировано из оригинала 19 июля 2011 года . Проверено 3 августа 2011 г.
- ^ Яблоко , 2010 г.
- ^ Патент США 4266334 , Эдвардс, Томас В. и Пеннипакер, Рональд С., «Производство устройств формирования изображений с утонченной подложкой», выдан 12 мая 1981 г., передан RCA Corporation.
- ^ Jump up to: а б с Swain and Cheskis, 2008
- ^ Йошуа Гольдман. «Почему iPhone 4 делает хорошие фотографии при слабом освещении: объяснение CMOS-сенсоров BSI!» . Проверено 29 сентября 2014 г.
- ^ Ёсида 2007
- ^ «OmniVision представляет первый в мире 1/3-дюймовый 8-мегапиксельный сенсор CameraChip с 1,4-микронной технологией OmniBSI» . ЭДН. 23 сентября 2008 г.
- ^ Брайан Клуг (20 июля 2010 г.). «Motorola Droid X: тщательный обзор» . Анандтех.
- ^ «OmniVision поставляет изображения качества DSC на рынок высокопроизводительных мобильных телефонов» (PDF) . ОмниВижн. 22 июня 2009 г.
- ^ «Визуализация качества DSC для высокопроизводительных мобильных телефонов: краткое описание продукта OV5650 с разрешением 5 мегапикселей» (PDF) . ОмниВижн. Январь 2010 года.
- ^ Филип Берн (24 июня 2010 г.). «Обзор: iPhone 4» . ТелефонСкуп.
- ^ Влад Савов. «Обзор Sony Ericsson Xperia Arc» . Engadget . АОЛ . Проверено 16 августа 2015 г.
- ^ «GoPro HERO3 Black Edition: Супергерой…» DXOMARK . 18 июля 2013 года . Проверено 6 сентября 2022 г.
- ^ «Глобальный сайт Samsung Semiconductors» . Проверено 16 августа 2015 г.
- ^ «Fujifilm анонсирует новую X-T3, беззеркальную цифровую камеру, превращающую серию X в четвертое поколение» . Фуджифильм . Проверено 27 сентября 2018 г.
- ^ «Многослойный CMOS-датчик изображения Sony решает все существующие проблемы одним движением» (PDF) . Сони. 12 июня 2012 г. Архивировано из оригинала (PDF) 12 июня 2012 г.
- ^ Редакционная статья о возможности (30 августа 2023 г.). «Будущее КМОП многогранно» . Возможность | Теледайн Imaging .
- ^ «Sony Global – Пресс-релизы – Sony разрабатывает Exmor RS, первый в мире*1 многослойный CMOS-датчик изображения» . Проверено 16 августа 2015 г.
- ^ «Canon объявляет о разработке полнокадровой беззеркальной камеры EOS R3, которая обеспечивает высокую скорость, высокую чувствительность и высокую надежность, расширяя диапазон фотографических возможностей пользователей» . Канон . Проверено 17 апреля 2021 г.
- ^ «Sony анонсировала новую 20-мегапиксельную матрицу BS1 Micro Four Thirds. Это для будущей камеры Olympus OMD?» . Проверено 30 мая 2021 г.
- ^ «Х-Транс КМОП» . fujifilm-x.com . Проверено 3 июля 2022 г.
Библиография
[ редактировать ]- (Sony) , « Sony представляет CMOS-технологию Exmor R с задней подсветкой », пресс-релиз Sony, 6 августа 2009 г.
- П. К. Суэйн и Дэвид Ческис, « Датчики изображения с задней подсветкой выходят на первый план », Photonics , август 2008 г.
- Джунко Ёсида, « OmniVision использует технологию задней подсветки для КМОП-сканера », EE Times , 27 мая 2007 г.
- (Apple) , « iPhone 4: камера », Apple Inc., 7 июня 2010 г.