Sensor retroiluminado

Un sensor retroiluminado (BI) , también conocido como sensor de iluminación posterior ( BSI ), 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, por lo tanto, mejorar el rendimiento en condiciones de 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 perfeccionamiento para su uso generalizado. Sony fue la primera en reducir estos problemas y sus costes 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 electrónica de consumo de otros fabricantes, como en el teléfono inteligente Android HTC EVO 4G ^{[ 3 ] [ 4 ]} , y como un importante argumento de venta para la cámara del iPhone 4 de Apple . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Una cámara digital tradicional, denominada retronónimamente cámara digital con iluminación frontal, se construye de forma similar al ojo humano , con una lente en la parte frontal y fotodetectores en la parte posterior. Esta orientación tradicional del sensor sitúa la matriz activa del sensor de imagen de la cámara digital —una matriz de elementos de imagen individuales— en su superficie frontal y simplifica la fabricación. Sin embargo, la matriz y su cableado bloquean parte de la luz, por lo que la capa del fotocátodo solo puede recibir el resto de la luz incidente; estos bloqueos reducen la señal disponible para ser capturada. ^{[ 1 ]}

Un sensor retroiluminado contiene los mismos elementos, pero dispone el cableado detrás de la capa del fotocátodo volteando la oblea de silicio durante la fabricación y luego adelgazando su lado posterior para que la luz pueda incidir en la capa del fotocátodo sin pasar a través de la capa de cableado. ^{[ 7 ]} Este cambio puede mejorar la probabilidad de que un fotón de entrada sea capturado de aproximadamente 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, ya que el área de captura de luz ganada al mover el cableado de la superficie superior (luz incidente) a la superficie inferior (parafraseando el diseño BSI) es proporcionalmente mayor para un píxel más pequeño. 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 generar diversos problemas, como la diafonía , que provoca ruido en la 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 la mejora de los procesos de fabricación, pero a costa de menores rendimientos y, por consiguiente, precios más altos. A pesar de estos inconvenientes, los primeros sensores BI se utilizaron en nichos de mercado donde su mejor rendimiento con poca luz era importante. Entre sus primeros usos se incluyen 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 proporciona mayor flexibilidad en el diseño de lentes) y, posiblemente, velocidades de lectura más rápidas. Entre sus desventajas se encuentra una menor uniformidad de respuesta.

Observadores de la industria señalaron (en 2008) que un sensor retroiluminado podría, en teoría, costar menos que una versión similar con iluminación frontal. La capacidad de captar más luz implicaba que una matriz de sensores de tamaño similar podría ofrecer una mayor resolución sin la disminución del rendimiento en condiciones de poca luz que suele asociarse a la carrera por los megapíxeles (MP). Alternativamente, se podría ofrecer la misma resolución y capacidad en condiciones de poca luz en un chip más pequeño, reduciendo así los costes. La clave para lograr estas ventajas residiría en un proceso mejorado que abordara los problemas de rendimiento, principalmente mediante la mejora de la uniformidad de una capa activa en la parte frontal de los detectores. ^{[ 8 ]}

Un paso importante en la adopción de sensores BI se dio cuando OmniVision Technologies presentó 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 de 1,4  μm de tamaño. ^{[ 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 5MP, ^{[ 13 ]} que tenía la mejor sensibilidad de luz baja a 1300 mV/lux-seg y la menor altura de apilamiento a 6  mm en la industria. ^{[ 14 ]} Apple seleccionó el OV5650 para usarlo 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 para fotodiodos les permitió presentar 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. Combinado con el nuevo diseño retroiluminado, el sensor mejoró el rendimiento en condiciones de poca luz hasta en 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 insignia, 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 en adoptar la tecnología de píxeles BSI. ^{[ 18 ] [ 3 ]} Este sensor de 28 MP (S5KVB2) fue adoptado por su nueva cámara de sistema compacta, la NX1, y se exhibió junto con la cámara en Photokina 2014 .

En junio de 2015, Sony anunció la primera cámara que empleaba un sensor de fotograma completo retroiluminado , la α7R II . ^{[ 3 ]}

En agosto de 2017, Nikon anunció que su próxima Nikon D850 , una cámara réflex 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 de objetivos intercambiables , con un sensor Fujifilm X-Trans retroiluminado APS-C de 26,1 MP. ^{[ 19 ]}

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

Otro avance 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 así la probabilidad de captura de luz. Sony, que anunció el primer sensor apilado en enero de 2012, afirma 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 posibilita velocidades de fotogramas y de lectura más rápidas. ^{[ 21 ]}

En agosto de 2012, Sony comercializó su tecnología de sensor apilado 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 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 , el IMX472-AAJK. ^{[ 24 ]}

En diciembre de 2021, Nikon presentó su primera cámara con sensor apilado, la Nikon Z9 , que mejora el rendimiento del enfoque automático y del disparo continuo. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

En mayo de 2022, Fujifilm comercializó su primer sensor apilado, el X-Trans 5 HS, utilizado en la Fujifilm X-H2S . ^{[ 27 ]}

• Rectificado de obleas