Tecnica del sensore CCD e CMOS

Il sensore digitale è considerato il cuore di un dispositivo d'immagine digitale.
I chip in silicio hanno dimensioni di un francobollo ma contengono milioni di elementi fotosensibili chiamati "fotositi".
Scopo di questi elementi è la conversione della luce in segnali elettrici che vengono processati successivamente da un convertitore analogico-digitale.

Sensore CCD e sensore CMOS

Partire dalla definizione di fotone è faccenda lunga, a noi basta immaginare che esso rappresenta un "pacchetto" di energia proprio di una radiazione luminosa.

Esistono due tipi principali di sensori elettronici d'immagine.
Il primo è detto CCD (charge-coupled device) il secondo CMOS (Complementary metal-oxide semiconductor).


La tecnologia dei sensori CCD è risalente agli anni 60 grazie ai lavori dei due scienziati Smith e Boyle presso i laboratori Bell. La prima implementazione del sensore CCD è stata in una videocamera. Ad ora i sensori CCD sono utilizzati in diversi ambiti della ricerca scientifica.


La differenza fondamentale fra CCD e CMOS è che il CMOS converte la carica elettrica in tensione in ogni fotoelemento mentre nel CCD la conversione è svolta in un comune amplificatore.

I maggiori vantaggi dei sensori CMOS rispetto ai CCD sono il basso consumo e basso presso di costruzione, tuttavia nel mercato odierno professionale e non i sensori CCD mostrano migliori caratteristiche per quanto riguarda sensibilità alla luce, range dinamico e rapporto segnale rumore.

Funzionamento di un sensore d'immagine
Menzione a parte merita il sensore Foveon, basato sulla tecnologia CMOS che utilizza un design a 3 livelli per catturare le 3 componenti RBG della luce.










Conversione dei fotoni in carica elettrica

I sensori di immagine possono lavorare su uno spettro di radiazione elettromagnetica più esteso del solo visibile, sebbene quelli presenti nelle fotocamera digitali siano parametrizzati per lavorare in questo range che corrisponde a lunghezze d'onda fra 380 e 700 nm.

Il funzionamento di un elemento sensibile è dovuto alle particolarità di semiconduttore del silicio drogato.
Questo materiale presenta proprietà di conduttività a metà fra i metalli e gli isolanti. Il processo di drogaggio del silicio, che consiste nell'aggiungere atomi di elementi come rubidio, o gallio, modifica le proprietà di conduzione.

L'efficienza di un sensore si può quindi misurare come il rapporto fra fotoni entranti e fotoelettroni uscenti.

Efficienza quantica per le tre componenti

Il processo di fotoconversione rende carico il microcapacitore e questa carica viene misurata da una apposita griglia di transistor.


Architettura dell'array

Finora abbiamo introdotto il comportamento di un singolo fotodiodo, tuttavia un sensore d'immagine è composto da una griglia di elementi.
Le due architetture principali degli array di sensori sono denominate "Frame Transfer" e "Interline Transfer", il primo il più semplice ed economico da produrre.



L'array è formato da un secondo array di fotositi, o pixel, disposti in modo che la carica possa essere trasferita in parallelo verticalmente.

In questo tipo d'architettura l'intero pixel è dedicato alla cattura dell'immagine. La carica immagazzinata è identica a quella dell'array di imaging a parte che è protetta da uno schermo metallico che lo protegge dalla luce.

Subito dopo l'esposizione alla luce, la carica è velocemente trasferita una linea alla volta al CCD orizzontale dopodichè spostata in maniera seriale al convertitore di tensione.
Per ridurre la luce entrante fra il periodo di acquisizione e di scansione, viene piazzato un diaframma metallico fra lente e sensore. Questo tipo di schema di funzionamento è detto Full-Frame. Gli array full-frame sono utilizzati nelle fotocamere di alto livello.

Il secondo tipo di architettura CCD è l'array IT, mostrato nel diagramma sopra.
In questo tipo di array, ogni pixel è associato sia ad un fotodiodo sia ad un'area di immagazzinamento di carica.

Dopo l'esposizione, la carica è trasferita dal fotodiodo nell'area di raccolta carica e successivamente viene trasferita ad un registro CCD orizzontale che la trasforma in segnale di tensione.

Uno dei vantaggi del design interlinea è che è possibile riesporre il fotodiodo alla luce subito dopo la prima esposizione, permettendo quindi la registrazione di video.

Le fotocamere digitali attuali utilizzano quasi tutte questo schema.
Il maggior svantaggio dello schema IT è che una significante porzione del sensore viene allocata all'immagazzinazione dell'immagine e quindi non è più sensibile.
Il rapporto fra queste area è detto tecnicamente "fill-factor" ed è tipicamente vicino al 30-50%.

Un fill-factor minore riduce la sensibiltità del pixel e porta ad un maggior rumore e minore risoluzione.
Il fill-factor può venire migliorato grazio all'utilizzo di microlenti apposte singolarmente sul singolo elemento fotosensibile.





Pixel otticamente neri

Questo gruppo di fotositi, localizzato alla periferia esterna del sensore, è coperto da uno schermo metallico che protegge dalla luce durante l'esposizione. Questi pixel giocano un ruolo fondamentale nel riferimento del punto di nero dell'immagine, poichè non vengono investiti dalla radiazione luminosa. Il riferimento data da questi pixel è noto come "corrente oscura" ed il suo valore viene rimosso da tutti gli altri pixel dopo l'esposizione. Questo accorgimento assicura di rimuovere il segnale di sottofondo rumoroso.

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