Funzionamento e caratteristiche dei sensori CMOS

1)    Capacità di contenimento [e^–] e capacità di saturazione [e^–]
Immaginatevi un pixel come un “secchio” e la capacità di contenimento come il numero massimo di elettroni che possono essere salvati in questo “secchio”. La capacità di saturazione di una telecamera effettivamente utilizzata per la caratterizzazione viene misurata direttamente nell’immagine della telecamera stessa. Il valore è tipicamente inferiore alla capacità di contenimento per prevenire eventuali non linearità. Un’elevata capacità di saturazione consente tempi di esposizione prolungati. Se un pixel viene sovraesposto, viene impostato sul valore DN massimo e non contiene quindi informazioni utili.

2)    Soglia di sensibilità assoluta [e^–]
La soglia di sensibilità assoluta (AST, Absolute Sensitivity Threshold) descrive il numero minimo di fotoni (radiazione minima dimostrabile), con cui la telecamera può distinguere le informazioni utili nell’immagine dal rumore. Ciò significa che minore è il valore soglia, più sensibile sarà una telecamera. La soglia di sensibilità assoluta contiene l’efficienza quantistica, il rumore scuro e il rumore dei fotoni e deve essere osservata nelle applicazioni con poca luce invece di considerare solo l’efficienza quantistica.
La soglia di sensibilità assoluta viene determinata dal valore in cui SNR è uguale a 1 (il segnale è grande quanto il rumore).

3)    Rumore scuro temporaneo [e^–]
Anche se il sensore non è illuminato, ogni pixel genera un segnale (scuro). L’aumento del tempo di azione e della temperatura consente di generare elettroni in ogni pixel anche senza luce. La variazione del segnale scuro viene definito come rumore scuro (misurato in elettroni). Un rumore scuro ridotto è vantaggioso per la maggior parte delle applicazioni. Il rumore scuro insieme al rumore dei fotoni e al rumore di quantizzazione descrivono il rumore di una telecamera.

4)    Dinamica [dB]
La dinamica è il rapporto tra numero massimo e minimo misurabile di elettroni della capacità di saturazione. Le telecamere con elevata dinamica sono in grado di fornire, contemporaneamente in un’unica immagine, informazioni più dettagliate sulle zone chiare e scure. Una dinamica elevata risulta quindi soprattutto importante nelle applicazioni con zone chiare e scure in un’immagine o nelle condizioni luminose a rapido mutamento.

5)    Efficienza quantistica [%]
Un sensore immagini converte i fotoni in elettroni. Il rapporto di conversione, l’efficienza quantistica (EQ), dipende dalla lunghezza d’onda. Più fotoni vengono convertiti in elettroni, più il sensore sarà sensibile alla luce e quindi maggiori informazioni possono essere acquisite dall’immagine. I valori misurati di una telecamera possono discostarsi dalle indicazioni fornite dal fornitore del sensore, ad esempio a causa dell’utilizzo di un vetro di copertura o di un filtro.

6)    Distanza massima segnale-rumore (SNRmax) [dB]
Il rapporto segnale-rumore (SNR) è il rapporto tra la scala dei grigi (corretta dal rumore scuro) e il rumore del segnale. Viene spesso indicato in dB. L’SNR dipende principalmente dal fattore K e dal rumore scuro ed aumenta con il numero di fotoni. L’SNR massimo (SNRmax) viene raggiunto se il pixel ha salvato il numero massimo di elettroni della capacità di saturazione possibile.

7)    Fattore K (Digital Number DN/e^–)
Una telecamera converte gli elettroni (e^–) del sensore immagini in un valore digitale (DN). La conversione viene indicata dall’amplificazione generale del sistema K, misurata in Digital Number (DN) per elettrone (e^–): gli elettroni K sono necessari per incrementare la scala dei grigi di 1 DN. Il fattore K dipende dalla struttura termica e dal sistema elettronico della telecamera. Un fattore K migliore può migliore la linearità a scapito della capacità di saturazione.