K8 A câmera CMOS científica

O termo CMOS se refere a um tipo de sensor de imagem. Os dois principais tipos de sensor de imagens comumente usados em câmeras atualmente são CCDs (Charged Couple Device - Dispositivo de carga acoplada) e CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor - Semicondutor de óxido metálico complementar). Ambos são sequências bidimensionais de pixels; cada pixel registra a quantidade de luz em uma região diferente da imagem. Sensores CCD e CMOS têm diferentes layouts eletrônicos, o que confere diferentes propriedades a cada tipo de sensor. Alguns anos atrás, os sensores CCD eram preferenciais para aplicações de aquisição de imagem, porque conferiam uma qualidade melhor às imagens. No entanto, avanços recentes no design dos sensores CMOS permitiram que eles capturassem imagens de alta qualidade comparáveis às dos sensores CCD, enquanto também oferecem benefícios de desempenho adicionais.

Os atributos mais importantes de um sensor são níveis de ruído e eficiência quântica (QE) que, juntos, determinam a sensibilidade de uma câmera, o número de pixels (resolução) e a taxa de quadros. Essas propriedades estão todas interconectadas e são determinadas pela arquitetura do sensor de imagem. Os níveis de ruído de leitura aumentam quanto mais rápido forem os processos dos nós de leitura dos dados de cada pixel. O aumento da resolução do sensor ou taxa de quadros aumenta a velocidade de leitura, resultando em níveis de ruído mais altos e menor sensibilidade. Os sensores CCD normalmente contêm um único nó de leitura, enquanto que os sensores CMOS contêm milhares. Devido ao seu gargalo inerente, que se desenvolve conforme a taxa de quadros aumenta, o ruído de leitura de um sensor CCD age da mesma forma. Na arquitetura do sensor CMOS, esse gargalo não existe, porque os sensores são capazes de ler mais pixels a uma taxa de quadros mais alta, enquanto mantêm um ruído de leitura muito baixo. Avanços recentes no design do CMOS aumentaram a eficiência quântica, enquanto oferecem ruídos mais baixos, taxas de quadros aprimoradas, resolução e faixa dinâmica comparáveis às de sensores CCD.

Sensores CMOS são feitos de pastilhas de silício. Conforme a luz bate no silício, uma carga é acumulada por um processo chamado de efeito fotovoltaico. Os fótons penetram somente alguns mícrons no silício, de forma que a carga fotovoltaica se acumula apenas na superfície. Para mover essa carga para os nós de leitura, uma camada fina de eletrônicos é necessária. Para fabricar o sensor, uma camada de eletrônicos deve ser aplicada à superfície fotossensível, mas, isso impede que parte da luz chegue ao silício. As microlentes podem aumentar o QE de um sensor com iluminação frontal, permitindo um valor de QE máximo de ~80%. Os sensores com painel posterior fino ou com iluminação de fundo (BSI) superam essa limitação por meio da eliminação da camada espessa de silício na parte posterior do sensor e pela inversão do sensor, de forma que a parte "posterior" do sensor é exposta à luz. Como o silício é muito fino, os eletrônicos no outro lado ainda são capazes de mover a carga acumulada para o nó de leitura. Como os sensores de painel posterior fino não têm mais uma camada de eletrônicos entre o silício fotossensível e a luz incidente, o QE pode aumentar até 95%, oferecendo uma sensibilidade significativamente maior.