K8 Die Scientific CMOS-Kamera

Der Begriff CMOS bezieht sich auf eine bestimmte Art eines Bildsensors. Die beiden Haupttypen von Bildsensoren, die heutzutage häufig in Kameras verwendet werden, sind CCDs (Charge Coupled Device) und CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Beide sind zweidimensionale Pixelanordnungen; jedes Pixel zeichnet die Lichtmenge in einem anderen Bildbereich auf. CCD- und CMOS-Sensoren haben unterschiedliche elektronische Anordnungen, die beiden Sensortypen unterschiedliche Eigenschaften verleihen. Vor einigen Jahren wurden CCD-Sensoren für wissenschaftliche Bildgebungsanwendungen bevorzugt, da sie eine bessere Bildqualität boten. Jüngste Fortschritte bei der Konstruktion von CMOS-Sensoren ermöglichen es nun, mit ihnen qualitativ hochwertige Bilder zu erfassen, die mit CCD-Sensoren vergleichbar sind. Gleichzeitig bieten sie zusätzliche Leistungsvorteile.

Die wichtigsten Eigenschaften eines Sensors sind Rauschpegel und Quanteneffizienz (QE), die zusammen die Empfindlichkeit einer Kamera, die Anzahl der Pixel (Auflösung) und die Bildfrequenz bestimmen. Diese Eigenschaften sind alle miteinander verbunden und werden durch die Architektur des Bildsensors bestimmt. Je schneller der Ausleseknoten die Daten von jedem Pixel verarbeitet, desto höher ist der Ausleserauschpegel. Eine Erhöhung der Sensorauflösung oder der Bildfrequenz bedingt auch eine höhere Auslesegeschwindigkeit, was zu einem höheren Rauschpegel und einer geringeren Empfindlichkeit führt. CCD-Sensoren enthalten in der Regel einen einzigen Ausleseknoten, während CMOS-Sensoren Tausende enthalten. Aufgrund dieses inhärenten Engpasses steigt bei zunehmender Bildfrequenz auch das Leserauschen eines CCD-Sensors. Bei der CMOS-Sensorarchitektur gibt es diesen Engpass nicht, da sie mehr Pixel bei höheren Bildraten auslesen können und dabei ein sehr niedriges Leserauschen beibehalten. Jüngste Fortschritte im CMOS-Design haben die Quanteneffizienz erhöht und bieten im Vergleich zu CCD-Sensoren geringeres Rauschen, verbesserte Bildfrequenzen, Auflösung und Dynamikbereich.

CMOS-Sensoren bestehen aus Siliziumwafern. Wenn das Licht auf das Silizium trifft, baut sich durch den sogenannten Photovoltaikeffekt eine elektrische Ladung auf. Photonen dringen nur wenige Mikrometer in das Silizium ein, so dass sich die Photovoltaikladung nur an der Oberfläche ansammelt. Um diese Ladung auf die Ausleseknoten zu leiten, ist eine dünne Elektronikschicht erforderlich. Zur Herstellung des Sensors muss eine Schicht Elektronik auf die lichtempfindliche Oberfläche aufgetragen werden. Dies hindert jedoch einen Teil des Lichts, in das Silizium zu gelangen. Mikrolinsen können die Quanteneffizienz eines frontbeleuchteten Sensors erhöhen, was einen maximalen Quanteneffizienzwert von etwa 80 % ermöglicht. Rückseitig beleuchtete Sensoren überwinden diese Einschränkung, indem bei ihnen die dicke Schicht des überschüssigen Siliziumsensors auf der Rückseite des Sensors wegpoliert und der Sensor umgedreht wird, so dass die „Rückseite“ des Sensors Licht ausgesetzt ist. Da das Silizium so dünn ist, kann die Elektronik auf der anderen Seite die angesammelte Ladung noch zum Ausleseknoten leiten. Da die rückseitig beleuchteten Sensoren keine Elektronikschicht mehr zwischen dem photosensitiven Silizium und dem einfallenden Licht aufweisen, kann die Quanteneffizienz um bis zu 95 % erhöht werden, was eine deutlich höhere Empfindlichkeit der Kamera bedeutet.