مستشعر الإضاءة الخلفية

المستشعر ذو الإضاءة الخلفية ، المعروف أيضًا باسم مستشعر الإضاءة الخلفية ( BI )، هو نوع من مستشعرات الصور الرقمية التي تستخدم ترتيبًا جديدًا لعناصر التصوير لزيادة كمية الضوء الملتقطة وبالتالي تحسين أداء الإضاءة المنخفضة.

تم استخدام هذه التقنية لبعض الوقت في أدوار متخصصة مثل كاميرات الأمان منخفضة الإضاءة وأجهزة استشعار علم الفلك، ولكن كان من الصعب بناؤها وتطلبت مزيدًا من التطوير لتصبح مستخدمة على نطاق واسع. كانت شركة سوني أول من قلل من هذه المشاكل وتكاليفها بما يكفي لتقديم مستشعر BI CMOS بدقة 5 ميجابكسل و1.75 ميكرومتر بأسعار المستهلك العامة في عام 2009. ^{[1] [2]} ومنذ ذلك الحين، تم استخدام مستشعرات BI من OmniVision Technologies في الإلكترونيات الاستهلاكية من الشركات المصنعة الأخرى كما هو الحال في HTC EVO 4G ^{[3] [4]} الهاتف الذكي الذي يعمل بنظام Android، وكنقطة بيع رئيسية للكاميرا في iPhone 4 من Apple . ^{[5] [6]}

يتم تصنيع الكاميرا الرقمية التقليدية ذات الإضاءة الأمامية بطريقة مشابهة للعين البشرية ، مع وجود عدسة في المقدمة وكاشفات ضوئية في الخلف. يضع هذا التوجيه التقليدي للمستشعر المصفوفة النشطة لمستشعر صور الكاميرا الرقمية - وهي مصفوفة من عناصر الصورة الفردية - على سطحها الأمامي ويبسط التصنيع. ومع ذلك، فإن المصفوفة وأسلاكها تحجب بعض الضوء، وبالتالي لا يمكن لطبقة الكاثود الضوئي أن تستقبل سوى بقية الضوء الوارد؛ تعمل الحجب على تقليل الإشارة المتاحة للالتقاط. ^[1]

يحتوي المستشعر المضاء من الخلف على نفس العناصر، ولكنه يرتب الأسلاك خلف طبقة الكاثود الضوئي عن طريق قلب رقاقة السيليكون أثناء التصنيع ثم ترقيق جانبها الخلفي بحيث يمكن للضوء أن يضرب طبقة الكاثود الضوئي دون المرور عبر طبقة الأسلاك. ^[7] يمكن أن يؤدي هذا التغيير إلى تحسين فرصة التقاط فوتون الإدخال من حوالي 60٪ إلى أكثر من 90٪، ^[8] (أي أسرع بمقدار نصف توقف) مع تحقيق أكبر فرق عندما يكون حجم البكسل صغيرًا، ^{[ بحاجة لمصدر ]} حيث أن مساحة التقاط الضوء المكتسبة في تحريك الأسلاك من السطح العلوي (الضوء الساقط) إلى السطح السفلي (بإعادة صياغة تصميم BSI) أكبر بشكل متناسب بالنسبة للبكسل الأصغر. ^{[ بحاجة لمصدر ]} تكون مستشعرات BSI-CMOS هي الأكثر فائدة في الشمس الجزئية وظروف الإضاءة المنخفضة الأخرى. ^[9] يشبه وضع الأسلاك خلف مستشعرات الضوء الفرق بين عين رأسيات الأرجل وعين الفقاريات . يمكن أن يؤدي توجيه ترانزستورات المصفوفة النشطة خلف طبقة الكاثود الضوئي إلى مجموعة من المشكلات، مثل التداخل ، الذي يسبب ضوضاء الصورة ، والتيار الداكن ، واختلاط الألوان بين وحدات البكسل المجاورة. كما يؤدي التخفيف إلى جعل رقاقة السيليكون أكثر هشاشة. يمكن حل هذه المشكلات من خلال تحسين عمليات التصنيع، ولكن فقط على حساب انخفاض الغلة، وبالتالي ارتفاع الأسعار. على الرغم من هذه المشكلات، وجدت أجهزة استشعار الذكاء الاصطناعي المبكرة استخدامات في أدوار متخصصة حيث كان أدائها الأفضل في الإضاءة المنخفضة مهمًا. وشملت الاستخدامات المبكرة أجهزة الاستشعار الصناعية وكاميرات المراقبة وكاميرات المجهر وأنظمة علم الفلك. ^[8]

تتضمن المزايا الأخرى لمستشعر BSI استجابة زاوية أوسع (مما يمنح مرونة أكبر لتصميم العدسات) ومعدلات قراءة أسرع. تشمل العيوب تجانس الاستجابة الأسوأ.

لاحظ مراقبو الصناعة ^{[ من؟ ]} (في عام 2008) أن المستشعر المضاء من الخلف قد يكلف نظريًا أقل من إصدار مماثل مضاء من الأمام. تعني القدرة على جمع المزيد من الضوء أن مجموعة مستشعرات ذات حجم مماثل يمكن أن تقدم دقة أعلى دون انخفاض في الأداء في الإضاءة المنخفضة المرتبط بخلاف ذلك بسباق الميجابكسل (MP). بدلاً من ذلك، يمكن تقديم نفس الدقة والقدرة على الإضاءة المنخفضة على شريحة أصغر، مما يقلل التكاليف. سيكون مفتاح تحقيق هذه المزايا هو عملية محسنة تعالج مشاكل العائد، إلى حد كبير من خلال تحسين توحيد الطبقة النشطة على مقدمة أجهزة الكشف. ^[8]

تم اتخاذ خطوة رئيسية في اعتماد أجهزة استشعار الذكاء الاصطناعي عندما قامت شركة OmniVision Technologies بأخذ عينات من أجهزة الاستشعار الأولى الخاصة بها باستخدام هذه التقنية في عام 2007. ^[10] ومع ذلك، لم تشهد هذه المستشعرات استخدامًا واسع النطاق بسبب تكلفتها العالية. كان أول مستشعر ذكاء اصطناعي مستخدم على نطاق واسع هو OmniVision OV8810، والذي تم الإعلان عنه في 23 سبتمبر 2008، ويحتوي على 8 ميجا بكسل بحجم 1.4 ميكرومتر. ^[11] تم استخدام OV8810 في HTC Droid Incredible ^[12] و HTC EVO 4G ، ^{[4] [3]} اللذين تم إصدارهما في أبريل ويونيو 2009 على التوالي. في يونيو 2009، أعلنت OmniVision عن OV5650 بدقة 5 ميجا بكسل، ^[13] والذي كان يتمتع بأفضل حساسية للضوء المنخفض عند 1300 مللي فولت/لوكس-ثانية وأقل ارتفاع للمكدس عند 6 مم في الصناعة. ^[14] اختارت شركة Apple الكاميرا OV5650 لاستخدامها في الكاميرا الخلفية لجهاز iPhone 4، والتي نالت تقييمات جيدة لصورها في الإضاءة المنخفضة. ^[15]

سمح عمل شركة سوني على مواد وعمليات الصمامات الضوئية الجديدة لها بتقديم أول مستشعر مضاء من الخلف للمستهلك باسم " Exmor R " المستند إلى CMOS في أغسطس 2009. ^[1] وفقًا لشركة سوني، قدمت المادة الجديدة إشارات +8 ديسيبل وضوضاء -2 ديسيبل. عند دمجها مع التصميم الجديد المضاء من الخلف، حسّن المستشعر أداء الإضاءة المنخفضة بما يصل إلى ضعفين. ^[1] استخدم iPhone 4s مستشعر صور من صنع شركة Sony. في عام 2011، نفذت سوني مستشعر Exmor R الخاص بها في هاتفها الذكي الرائد Sony Ericsson Xperia Arc . ^[16]

في أكتوبر 2012، استخدمت GoPro مستشعر Sony IMX117 كأول مستشعر BSI في كاميرات الحركة الخاصة بها، في Hero3 Black. ^[17]

في سبتمبر 2014 أعلنت شركة سامسونج عن أول مستشعر APS-C في العالم يعتمد على تقنية BSI pixel. ^{[18] [3]} تم اعتماد هذا المستشعر بدقة 28 ميجا بكسل (S5KVB2) بواسطة كاميرا النظام المدمجة الجديدة الخاصة بهم، NX1، وتم عرضه مع الكاميرا في Photokina 2014 .

في يونيو 2015 أعلنت شركة سوني عن أول كاميرا تستخدم مستشعر إطار كامل مضاء من الخلف ، وهي α7R II . ^[3]

في أغسطس 2017، أعلنت شركة نيكون أن كاميرا Nikon D850 القادمة ، وهي كاميرا SLR رقمية ذات إطار كامل ، ستحتوي على مستشعر مضاء من الخلف على مستشعرها الجديد بدقة 45.7 ميجابكسل.

في سبتمبر 2018، أعلنت شركة فوجي فيلم عن توفر كاميرا X-T3 ، وهي كاميرا بدون مرآة ذات عدسات قابلة للتبديل ، مع مستشعر Fujifilm X-Trans APS-C بدقة 26.1 ميجابكسل مع إضاءة خلفية. ^[19]

في أبريل 2021، أطلقت شركة Ricoh كاميرا Pentax K-3 III المزودة بمستشعر APS-C بدقة 26 ميجابكسل من BSI من Sony ومعالج صور PRIME V.

هناك تطور آخر يتمثل في مستشعر CMOS المكدس ، ^[3] الذي يضع الدوائر ومعالج إشارة الصورة (ISP) خلف وحدات البكسل، مما يسمح لوحدات البكسل النشطة باحتلال مساحة أكبر، مما يزيد من فرصة التقاط الضوء. تزعم شركة Sony، التي أعلنت عن أول مستشعر مكدس في يناير 2012، زيادة بنسبة 30% في الضوء الملتقط. ^[20] كما يسمح مستشعر CMOS المكدس باستخدام دوائر معالجة أكثر تعقيدًا ببساطة عن طريق زيادة عدد الطبقات، مما يتيح معدلات إطارات أسرع وسرعات قراءة. ^[21]

في أغسطس 2012، قامت شركة سوني بتسويق تقنية المستشعرات المكدسة الخاصة بها باسم Exmor RS بدقة 13 و8 ميجا بكسل فعالة. ^[22]

في أبريل 2021، أعلنت شركة Canon أن كاميرا EOS R3 الجديدة ستحتوي على مستشعر CMOS مكدس بإطار كامل مقاس 35 مم ومضاء من الخلف ومعالج صور DIGIC X. ^[23]

في مايو 2021، أعلنت شركة سوني عن مستشعر جديد مضاء من الخلف ومكدس لتنسيق Micro Four Thirds ، وهو IMX472-AAJK. ^[24]

في مايو 2022، قامت شركة فوجي فيلم بتسويق أول مستشعر مكدس لها، وهو X-Trans 5 HS، المستخدم في كاميرا Fujifilm X-H2S . ^[25]

• طحن الرقاقة من الخلف