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7 settembre 2011

Sensori fotografici retroilluminati (back-illuminated sensor)

Sensore fotografico CMOS

Fonte: Wikimedia Commons

Da qualche anno a questa parte, si sta iniziando a sentir parlare di macchine fotografiche con sensori retroilluminati o BSI, back-side illuminated. Una “nuova” tecnologia costruttiva che garantisce un miglior rapporto segnale/rumore migliorando la resa dei sensori in situazioni di scarsa luce, ma come riescono a farlo?

La tecnologia non è realmente nuova, esiste da ben prima che Sony la introducesse sul mercato consumer ma, dati gli alti costi, era relegata quasi esclusivamente all’ambito scientifico, con l’integrazione di questo tipo di sensori in microscopi o telescopi. La casa giapponese ha il merito di aver reso più efficienti i processi produttivi, abbassandone i costi e rendendo accessibili i sensori retroilluminati anche al mondo della fotografia.

I sensori fotografici sono l’insieme di vari strati di componenti, tradizionalmente il percorso che la luce deve compiere prima di essere catturata e trasformata in un segnale elettrico è fatto da un primo strato di lenti, che servono a concentrare ed indirizzare la luce per catturare più fotoni possibile, un secondo strato, detto filtro Bayer o matrice Bayer, che filtra la luce in base ai colori fondamentali (rosso, blu e verde), poi una serie di strati utilizzati per le connessioni elettriche ed infine il fotodiodo, ovvero l’elemento che converte la luce in elettricità.

Da questo elenco si intuisce facilmente che, se l’elemento che cattura la luce ha davanti a se un reticolo di “cavi”, parte della luce verrà ostacolata da questi e non potrà essere convertita in un segnale elettrico. La tecnologia di retroilluminazione capovolge gli ultimi due strati del sensore in modo che la luce incontri i fotodiodi, sul suo percorso, prima dello strato di connessioni elettriche; questo fa si che una maggior quantità di fotoni possano essere catturati e, di conseguenza, si può scattare con meno luce senza dover alzare la sensibilità del sensore, quindi senza introdurre rumore. Sony dichiara, per questo tipo di sensori, una sensibilità aumentata di +6dB e una riduzione del rumore di -2dB, per un totale di +8dB nel rapporto segnale/rumore.

L’immagine qui sotto rappresenta la differenza di disposizione degli strati tra i tradizionali sensori e quelli retroilluminati.

Back-side illuminated sensor

Fonte: Sony Global

A prima vista sembrerebbe strano che solo nel 2008 si sia arrivati ad introdurre un’idea, tutto sommato, così semplice per migliorare le prestazioni dei sensori, ma capovolgere gli strati comporta altri problemi collaterali che, invece, ne fanno degradare le prestazioni. Per raggiungere i risultati annunciati, quindi, è stato necessario riprogettare l’intero sensore, dalle lenti in giù, per ottimizzare al massimo ogni elemento, e l’effetto finale è quello che si vede nell’immagine di test qui sotto, scattata alla luminosità di 30 lux.

Back-side illuminated sensor sample

Fonte: Sony Global

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