K8 La cámara con CMOS científico

El término CMOS hace referencia a un tipo de sensor de imagen. Los dos tipos principales de sensores de imagen que se utilizan en las cámaras actuales son CCD (dispositivo de carga acoplada) y CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico). Ambos son matrices bidimensionales de píxeles; cada píxel registra la cantidad de luz presente en una región diferente de la imagen. Los sensores CCD y CMOS tienen diseños electrónicos diferentes que les confieren propiedades distintas. Hace unos años, los sensores CCD eran los más extendidos para las aplicaciones de imagen científicas, ya que ofrecían una mejor calidad de imagen. Sin embargo, recientes avances en el diseño de los sensores CMOS les permiten capturar ahora imágenes de alta calidad comparables a los sensores CCD y ofrecen, a la vez, ventajas adicionales.

Los atributos más importantes de un sensor son los niveles de ruido y la eficiencia cuántica (QE), que determinan conjuntamente la sensibilidad de la cámara, el número de píxeles (resolución) y la velocidad (imágenes por segundo). Todas estas propiedades están interconectadas y determinadas por la arquitectura del sensor de imagen. Los niveles de ruido de lectura aumentan cuanto más rápido procese el nodo de lectura los datos de cada píxel. El aumento de la resolución o la velocidad del sensor incrementa la velocidad de lectura, lo que se traduce en mayores niveles de ruido y en una menor sensibilidad. Los sensores CCD suelen contener un único nodo de lectura, mientras que los sensores CMOS contienen miles de ellos. Debido al inherente cuello de botella que se produce a medida que aumenta la velocidad de captura de imágenes, también lo hace el ruido de lectura de los sensores CCD. En cambio, en la arquitectura del sensor CMOS, este cuello de botella no existe, ya que estos sensores son capaces de leer más píxeles a velocidades más altas, a la vez que mantienen un ruido de lectura muy bajo. Los recientes avances en el diseño de los CMOS han aumentado la eficiencia cuántica, al tiempo que ofrecen un menor ruido y una mayor velocidad, resolución y rango dinámico que los sensores CCD.

Los sensores CMOS están hechos de obleas de silicio. Cuando la luz incide sobre el silicio, se crea una carga eléctrica mediante un proceso denominado efecto fotovoltaico. Los fotones solo penetran unas pocas micras en el silicio, por lo que la carga fotovoltaica solo se acumula en la superficie. Para mover esta carga hacia los nodos de lectura, es necesaria una fina capa de componentes electrónicos. Para fabricar el sensor, se debe aplicar una capa de componentes electrónicos a la superficie fotosensible, pero esto impide que parte de la luz alcance el silicio. Las microlentes pueden aumentar la QE de un sensor con iluminación frontal, lo que permite un valor de QE máximo de aproximadamente un 80%. Los sensores retroiluminados (BSI) superan esta limitación al disminuir el espesor de la lámina de silicio en la parte posterior del sensor y darle la vuelta al mismo para que sea esa cara la que quede expuesta a la luz. Como el silicio es tan fino, los componentes electrónicos del otro lado pueden llevar la carga acumulada hasta el nodo de lectura. Dado que los sensores adelgazados retroiluminados ya no tienen la capa de componentes electrónicos entre el silicio fotosensible y la luz entrante, la QE puede aumentar hasta un 95%, ofreciendo de este modo una sensibilidad significativamente mayor.