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裏面照射型センサーは、裏面照射( BI ) センサーとも呼ばれ、撮像素子の斬新な配置を使用して取り込まれる光の量を増やし、低照度でのパフォーマンスを向上させるタイプのデジタル画像センサーです。
この技術は、低照度セキュリティカメラや天文センサーなどの特殊な用途にしばらく使用されていましたが、構築が複雑で、広く使用されるためにはさらなる改良が必要でした。ソニーは、これらの問題とコストを十分に削減し、 2009年に5メガピクセルの1.75μm BI CMOSセンサーを一般消費者向け価格で導入した最初の企業でした。[1] [2] OmniVision TechnologiesのBIセンサーは、HTC EVO 4G [3] [4] Androidスマートフォンや、AppleのiPhone 4のカメラの大きなセールスポイントなど、他のメーカーの家電製品にも使用されています。[5] [6]
説明
従来の前面照射型デジタルカメラは、人間の目と似た構造で、前面にレンズ、背面に光検出器が配置されています。この従来のセンサー配置では、デジタルカメラの画像センサーのアクティブマトリックス（個々の画素のマトリックス）が前面に配置され、製造が簡素化されています。ただし、マトリックスとその配線によって光の一部が遮られ、光電面層は残りの入射光しか受信できません。つまり、遮蔽物によって捕捉可能な信号が減少します。[1]
裏面照射型センサーには同じ要素が含まれていますが、製造中にシリコン ウェハーを反転し、その裏面を薄くすることで、配線を光電面層の後ろに配置して、光が配線層を通過せずに光電面層に当たるようにします。[7]この変更により、入力光子が捕捉される可能性が約 60% から 90% 以上[8]に向上します(つまり、1/2 ストップ高速化)。違いが最も顕著になるのはピクセル サイズが小さいときです[要出典]。これは、配線を上部 (光入射) から下部表面 (BSI 設計を言い換えると) に移動することで得られる光捕捉領域が、ピクセルが小さいほど比例して大きくなるためです。[要出典] BSI-CMOS センサーは、部分的な太陽光やその他の低照度条件で最も有利です。[9]配線を光センサーの後ろに配置することは、頭足動物の目と脊椎動物の目の違いに似ています。アクティブマトリックス トランジスタを光電陰極層の後ろに配置することは、クロストーク（画像ノイズ、暗電流、隣接ピクセル間の色混合の原因となる）など、多くの問題を引き起こす可能性がある。また、薄型化によりシリコンウェハーはより脆くなる。これらの問題は製造プロセスを改善することで解決できるが、歩留まりが低下し、結果的に価格が上昇するという代償を伴う。これらの問題にもかかわらず、初期のBIセンサーは、低照度性能が重要なニッチな用途で使用されていた。初期の用途には、産業用センサー、セキュリティカメラ、顕微鏡カメラ、天文学システムなどがあった。[8]
BSI センサーのその他の利点としては、角度応答が広いこと (レンズ設計の柔軟性が増す) と、読み取り速度が速いことが挙げられます。欠点としては、応答の均一性が低いことが挙げられます。
歴史
業界観測筋[誰? ]は、（2008年に）裏面照射型センサーは、理論的には同様の前面照射型よりも安価になる可能性があると指摘した。より多くの光を集めることができるということは、メガピクセル（MP）競争で問題となる低照度性能の低下なしに、同様のサイズのセンサーアレイでより高い解像度を提供できることを意味する。あるいは、同じ解像度と低照度性能をより小さなチップで提供し、コストを削減することもできる。これらの利点を実現する鍵となるのは、主に検出器前面のアクティブ層の均一性を改善することで歩留まりの問題に対処する改善されたプロセスである。[8]
BIセンサーの採用における大きな一歩は、2007年にオムニビジョン・テクノロジーズがこの技術を使用した最初のセンサーのサンプルを出したことでした。 [10]しかし、これらのセンサーはコストが高いため、広く普及することはありませんでした。最初に広く使用されたBIセンサーは、2008年9月23日に発表されたオムニビジョンOV8810で、サイズが1.4μmの8メガピクセルを含んでいました。[11] OV8810は、2009年4月と6月にそれぞれリリースされたHTC Droid Incredible [12] とHTC EVO 4G [4] [3] に使用されました。2009年6月、オムニビジョンは5MP OV5650を発表しました。[13]これは、1300mV/lux-secで最高の低照度感度と、6mmの業界最低のスタック高を特徴としていました。[14]アップルはiPhone 4の背面カメラにOV5650を選択し、低照度写真で高い評価を得た。[15]
ソニーは新しいフォトダイオード材料とプロセスの研究により、2009年8月にCMOSベースの「Exmor R 」という初の消費者向け裏面照射型センサーを発表した。 [1]ソニーによると、この新素材は+8 dBの信号と-2 dBのノイズを提供した。新しい裏面照射型レイアウトと組み合わせることで、センサーは低照度性能を最大2倍向上させた。[1] iPhone 4sはソニー製のイメージセンサーを採用した。2011年、ソニーはフラッグシップスマートフォンのSony Ericsson Xperia ArcにExmor Rセンサーを実装した。[16]
2012年10月、GoProはHero3 Blackのアクションカメラに初のBSIセンサーとしてソニーIMX117センサーを採用した。[17]
2014年9月、サムスンはBSIピクセル技術を採用した世界初のAPS-Cセンサーを発表しました。 [18] [3]この28MPセンサー（S5KVB2）は、同社の新しいコンパクトシステムカメラNX1に採用され、フォトキナ2014でカメラとともに展示されました。
2015年6月、ソニーは裏面照射型フルサイズセンサーを採用した初のカメラ、α7R IIを発表しました。[3]
ニコンは2017年8月、フルフレームデジタル一眼レフカメラ「Nikon D850」に、新しい45.7 MPセンサーに裏面照射型センサーを搭載すると 発表しました。
2018年9月、富士フイルムは、26.1MP APS-C富士フイルムX-Transセンサー裏面照射型センサーを搭載したミラーレス一眼カメラX -T3の発売を発表しました。 [19]
リコーは2021年4月、ソニーのBSI 26メガピクセルAPS-CセンサーとPRIME V画像処理エンジンを搭載したペンタックスK-3 IIIを発売した。
スタックCMOS
さらなる発展は積層型CMOSセンサー[3]で、これは回路と画像信号プロセッサ（ISP）をピクセルの後ろに重ねることで、アクティブピクセルがさらに広い領域を占め、光捕捉の可能性をさらに高める。2012年1月に最初の積層型センサーを発表したソニーは、捕捉される光が30％増加したと主張している。[20]積層型CMOSでは、層数を増やすだけでより複雑な処理回路を使用することもできるため、フレームレートと読み出し速度が向上する。[21]
2012年8月、ソニーは有効13メガピクセルと8メガピクセルの解像度を持つ積層型センサー技術をExmor RSとして商品化した。 [22]
2021年4月、キヤノンは新型EOS R3に35mmフルサイズ、裏面照射型、積層型CMOSセンサーとDIGIC X画像処理エンジンを搭載すると発表した。 [23]
2021年5月、ソニーはマイクロフォーサーズフォーマット用の新しい裏面照射型積層センサー、IMX472-AAJKを発表しました。[24]
2022年5月、富士フイルムは初の積層型センサー「X-Trans 5 HS」を商品化し、富士フイルムX-H2Sに搭載した。[25]
参照
参考文献
- ^ abcd ソニー、2009年
- ^ 米国特許 7521335、山中秀夫、「超薄型半導体チップの製造方法および装置、ならびに超薄型裏面照射型固体撮像素子の製造方法および装置」、2009 年 4 月 21 日発行、ソニー株式会社に譲渡
- ^ abcde Zimmerman, Steven (2016 年 10 月 12 日)。「Sony IMX378: Google Pixel のセンサーとその機能の包括的な分析」XDA Developers。2016年10 月 17 日閲覧。
- ^ ab 「HTC EVO 4G スマートフォンの内部とシリコンの分解」。chipworks。2010 年 6 月 4 日。2011 年 7 月 22 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年8 月 3 日閲覧。
- ^ Tufegdzic, Pamela (2010 年 9 月 3 日)。「iPhone 4 がスマートフォンへの BSI イメージセンサーの採用を推進」。iSuppli。2011 年 7 月 19 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011 年8 月 3 日閲覧。
- ^ アップル、2010年
- ^ 米国特許 4266334、エドワーズ、トーマス W. およびペニーパッカー、ロナルド S.、「薄型基板イメージャーの製造」、1981 年 5 月 12 日発行、RCA コーポレーションに譲渡
- ^ abc スウェインとチェスキス、2008
- ^ Yoshua Goldman. 「iPhone 4 が低光量でも優れた写真を撮る理由: BSI CMOS センサーの説明!」2014 年9 月 29 日閲覧。
- ^ 吉田 2007
- ^ 「OmniVision が 1.4 ミクロン OmniBSI テクノロジーを搭載した世界初の 1/3 インチ、8 メガピクセルの CameraChip センサーを発表」EDN、2008 年 9 月 23 日。
- ^ Brian Klug (2010 年 7 月 20 日)。「Motorola Droid X: 徹底レビュー」Anandtech。
- ^ 「OmniVision が高性能携帯電話市場に DSC 品質の画像を提供」(PDF)。OmniVision。2009 年 6 月 22 日。
- ^ 「高性能携帯電話向け DSC 品質イメージング: OV5650 5 メガピクセル製品概要」(PDF)。OmniVision。2010 年 1 月。
- ^ Philip Berne (2010 年 6 月 24 日). 「レビュー: iPhone 4」. PhoneScoop.
- ^ Vlad Savov. 「 Sony Ericsson Xperia Arc レビュー」。Engadget。AOL。2015年8 月 16 日閲覧。
- ^ 「GoPro HERO3 Black Edition: スーパーヒーロー...」DXOMARK 2013年7月18日. 2022年9月6日閲覧。
- ^ 「Samsung Semiconductors Global Site」2015年8月16日閲覧。
- ^ 「富士フイルム、Xシリーズを第4世代に進化させたミラーレスデジタルカメラ「X-T3」を発表」富士フイルム。 2018年9月27日閲覧。
- ^ 「ソニーのスタック型 CMOS イメージセンサーが既存の問題をすべて一挙に解決」(PDF)。ソニー。2012 年 6 月 12 日。2012 年 6 月 12 日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
- ^ Possibility Editorial (2023年8月30日)。「CMOSの未来は積み重ねられている」。Possibility | Teledyne Imaging。
- ^ 「ソニーグローバル – ニュースリリース – 世界初*1積層型CMOSイメージセンサー「Exmor RS」を開発」 2015年8月16日閲覧。
- ^ 「キヤノン、高速・高感度・高信頼性を実現し、ユーザーの撮影可能性を広げるフルサイズミラーレスカメラ『EOS R3』の開発を発表」キヤノン2021年4月17日閲覧。
- ^ 「ソニーが新型20MP積層BS1マイクロフォーサーズセンサーを発表。これは将来のオリンパスOMDカメラ向けか？」2021年5月30日閲覧。
- ^ “X-Trans CMOS”. fujifilm-x.com . 2022年7月3日閲覧。
文献
- (ソニー)、「ソニー、裏面照射型 CMOS 技術「Exmor R」を発表」、ソニー プレスリリース、2009 年 8 月 6 日
- PK Swain と David Cheskis、「裏面照射型イメージセンサーが最前線に」、Photonics、2008 年 8 月
- 吉田 順子、「OmniVision が CMOS イメージャーに裏面照射技術を採用」、EE Times、2007 年 5 月 27 日
- (Apple)、「iPhone 4: カメラ」、Apple Inc.、2010 年 6 月 7 日
外部リンク
- 浜松ホトニクス製裏面薄膜CCDセンサー一覧
- 防犯カメラに使用される裏面入射型CCD
- 量子効率に関する顕微鏡入門
- 裏面照射型CCD：光感度の向上