Si bien la tecnología CCD fue la primera en despegar en cuanto a sensores de imagen se refiere, en los últimos años son los sensores CMOS los que llevan la voz cantante. Ello no significa que estos últimos sean superiores técnicamente en todos los aspectos, pero su mayor capacidad de integración y su menor consumo les otorgan una ventaja prácticamente decisiva en el mercado actual.

Sensores de imagen
Sensores retroiluminados

No obstante, como vimos en Sensores de imagen – CMOS contra CCD, los sensores basados en una arquitectura CCD suelen mostrar cierta superioridad en cuanto a calidad de imagen se refiere, sobre todo en términos de ruido. Por este motivo, los sensores CMOS no han dejado de evolucionar para poder reducir este gap con los sensores CCD. Y es que, ganadas las batallas por la mayor integración y menor consumo, la pugna por una mejor calidad de imagen era la siguiente meta a conquistar. Es en este punto donde entra en juego un importante avance: el de la retroiluminación y los sensores BSI-CMOS.

La historia del sensor BSI (de Back-Side Illuminated) –o simplemente BI (de Back Illuminated)– o sensor retroiluminado empezó con OmniVision, uno de los principales fabricantes de sensores de imagen, pero fue Sony quien tomó la delantera y anunció, en junio de 2008, el primer modelo basado en esta tecnología para su comercialización en masa. La multinacional japonesa había dado con la clave para reducir los costes de fabricación de esta nueva tecnología, cuya compleja estructura requería hasta entonces de un costoso proceso.

Sensores de imagen
Sección transversal de un sensor BSI-CMOS © Sony

¿Qué aportaba el BSI-CMOS al CMOS convencional? Dos aspectos clave en la determinación de la calidad de imagen: una mayor sensibilidad y un menor ruido. En efecto, uno de los principales problemas de los sensores CMOS respecto los CCDs era que, debido a la circuitería de estos primeros que integraban en el propio chip, la superficie total del sensor sensible a la luz se veía reducida, motivo por el cual los sensores CCD aprovechaban mejor la luz incidente.

Tal como relataba Sony en su anuncio de 2008, el nuevo sensor retroiluminado permitía cuadruplicar la sensibilidad, gracias a la iluminación de la parte trasera del sustrato de silicio. En un arquitectura CMOS convencional –»front-illuminated»– tanto el cableado metálico como los transistores de la superficie del sustrato de silicio impedían que parte de los fotones que incidían en el sensor pudieran ser absorbidos por las microlentes. En cambio, en una arquitectura retroiluminada –»back-illuminated»–, estos obstáculos –cableado y transistores– eran trasladados en el reverso del sustrato de silicio, aumentando así la cantidad de fotones absorbidos.

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Comparación de la estructura de un sensor CMOS convencional (izquierda) con un sensor retroiluminado BSI-CMOS (derecha) © Sony

La comercialización del primer sensor BSI-CMOS de Sony –bajo el nombre comercial de EXMOR R– supuso una importante mejora en cuanto a prestaciones en condiciones de luz escasa, y los demás fabricantes de cámaras no tardarían en abrazar esta nueva tecnología. Sin embargo, fueron los fabricantes de smartphones los primeros en aprovechar claramente las ventajas de sensores BSI-CMOS en sus teléfonos móviles, pues era precisamente el hecho de poder ofrecer mejores resultados en condiciones de luz escasa lo que más ansiaban sus pequeños captores; el sensor del iPhone 4s, fabricado por Sony, fue uno de los primeros ejemplos.

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Comparación de la estructura de un sensor ‘stacked’ (izquierda) con un sensor sin la circuitería ‘apilada’ (derecha) © Sony

Fue Sony también, en 2012, quién dio una vuelta de tuerca más a los sensores retroiluminados con los BSI Stacked CMOS, bajo el nombre comercial de EXMOR RS, y con los que se mejoraba aún más la captura efectiva de fotones por parte del sensor. Los sensores stacked apilan la capa correspondiente a los píxeles por encima de la capa de circuitería digital –donde se realiza el procesado de imagen–, en vez de utilizar la típica estructura de los sensores retroiluminados que hace uso de las sustratos de soporte convencionales. De hecho, esta es la tecnología en la cual la multinacional japonesa está enfocando sus recursos, tal como demostraba, en febrero de 2015, su predisposición a aumentar la capacidad de producción de sensores stacked, pasando de los 60.000 wafers –obleas– de silicio mensuales hasta las 80.000 durante el presente año 2016 –una predisposición que, por otro lado, se ha visto alterada por el recién terremoto de Kumamoto, que ha mermado las cadenas de producción de la compañía–.

Sensores de imagen
Sony A7R II

Una vez más, son los sensores de pequeñas dimensiones –que equipan la mayoría de smartphones y compactas más sencillas– los que sacan mayor provecho de esta tecnología, pues son los más afectados por la relación señal a ruido y la sensibilidad que se deriva. Aun así, Sony –actual líder indiscutible en cuestión de sensores de imagen– también ha implementado los sensores retroiluminados en cámaras con sensores de mayores dimensiones, como es el caso del captor de 24×36 mm que encontramos en la Sony A7R II, con resultados muy satisfactorios. ¿Cuál será el siguiente paso? Solo el tiempo –o Sony– lo dirá.

2 Comentarios

  1. Sí… pero… ¿Realmente están iluminados por detrás de forma análoga a como lo está un monitor TFT? ¿O en realidad se trata solo de una realimentación eléctrica? En cualquiera de los casos… ¿Quiere decir que las sombras que inciden sobre el sensor son iluminadas por detrás para que aumente su potencial eléctrico y capten mayor detalle?

    • Hola Enric. No, no se trata del mismo tipo de retroiluminación. En una pantalla LCD, la retroiluminación LED, por ejemplo, consiste en usar diodos emisores de luz como fuente lumínica –en vez de los clásico tubos fluorescentes–. En el caso de los sensores llamados «retroiluminados», consiste en situar la parte de circuitería del captor por detrás del sustrato de silicio para que esta no entorpezca la captación de luz, de modo que los fotodiodos son capaces de absorber una mayor cantidad de fotones. Un saludo.

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