K8 Scientific CMOS camera

Il termine CMOS si riferisce ad un tipo di sensore di immagine. I due tipi principali sensori di immagini comunemente utilizzati nelle telecamere sono i dispositivi a carica accoppiata (Charge Coupled Device, CCD) e i semiconduttori complementari a ossido metallico (Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS). Sono entrambi matrici bidimensionali di pixel; ogni pixel registra la quantità di luce in una regione diversa dell'immagine. I sensori CCD e CMOS hanno layout elettronici diversi che conferiscono proprietà diverse a ciascun tipo di sensore. Alcuni anni fa, si prediligeva l’uso di sensori CCD per le applicazioni di imaging scientifico, poiché offrivano una migliore qualità dell'immagine. Tuttavia, i recenti progressi nel design del sensore CMOS consentono di acquisire immagini di alta qualità paragonabili ai sensori CCD, in grado di offrire al contempo ulteriori vantaggi in termini di prestazioni.

Gli attributi più importanti di un sensore sono i livelli di rumore e l'efficienza quantica (QE) che insieme determinano la sensibilità della fotocamera, il numero di pixel (risoluzione) e la frequenza dei fotogrammi. Queste proprietà sono interconnesse fra di loro e vengono determinate dall'architettura del sensore di immagine. I livelli di rumore della lettura aumentano la velocità con cui il nodo di lettura elabora i dati da ciascun pixel. L' aumento della risoluzione del sensore o quello della frequenza dei fotogrammi, aumenta la velocità di lettura, con conseguente incremento dei livelli di rumore e riduzione della sensibilità. I sensori CCD contengono in genere un unico nodo di lettura, mentre i sensori CMOS ne contengono migliaia. Il collo di bottiglia intrinseco che si sviluppa con l'aumento della frequenza di fotogrammi, fa aumentare anche il rumore di lettura di un sensore CCD. Nell'architettura del sensore CMOS, questo collo di bottiglia non esiste, poiché è in grado di leggere più pixel con una frequenza di fotogrammi più elevata mantenendo un rumore di lettura molto basso. I recenti progressi nel design del CMOS hanno aumentato l'efficienza quantica, offrendo al contempo un rumore più basso, migliore frequenza di fotogrammi, risoluzione e gamma dinamica rispetto ai sensori CCD.

I sensori CMOS sono realizzati in wafers di silicio. Quando la luce colpisce il silicio, una carica viene accumulata attraverso un processo chiamato "effetto fotovoltaico". I fotoni penetrano solo pochi micron nel silicio, per cui la carica fotovoltaica si accumula solo sulla superficie. Per spostare questa carica nei nodi di lettura, è necessario un sottile strato di elettronica. Per fabbricare il sensore, è necessario applicare uno strato di elettronica alla superficie fotosensibile, ma ciò impedisce ad una parte della luce di raggiungere il silicio. Le microlenti possono aumentare il QE di un sensore frontale illuminato, consentendo un valore QE massimo di circa ~80%. I sensori assottigliati o retroilluminati (Back-Thinned o Back Side Illuminated, BSI) vanno oltre questa limitazione lucidando lo spesso strato di silicio in eccesso sul retro del sensore e capovolgendo il sensore in modo da esporre alla luce il "retro" del sensore. Dato che il silicio è così sottile, l'elettronica dall'altro lato continua a spostare la carica accumulata al nodo di lettura. Dato che nei sensori assottigliati non è più presente lo strato di elettronica tra il silicio fotosensibile e la luce in ingresso, il QE può aumentare fino al 95%, offrendo una sensibilità notevolmente superiore.