Acquisizione dell'immagine nel CCD

Per acquisire i colori si usano delle maschere di filtri colorati (sottrattive o addittive).
La percezione del colore nell'uomo avviene attraverso stadi diversi:

1. livello fisico: interazione dei fotoni con la retina;
2. livello fisiologico: trasduzione dei segnali elettrici
3. livello psicologico: (dominante) regola la sensazione dei colori.

Concetto del tristimolo: nell'occhio umano ci sono tre recettori diversi (coni) sensibili a λ diverse (circa RGB) . Quindi la radiazione viene misurata scomposta in RGB e nell'occhio si riproduce la stessa sensazione dell'immagine originale.
Oltre all'utilizzo di maschere si usano delle microlenti poiché non tutta l'area del sensore è attiva.
CCD a Frame Transfer (FT)

Usati principalmente per scopi scientifici, hanno un accumulo di carica lento. Non accumulano e leggono contemporaneamente. Sono due matrici affiancate: una di carica e l'altra (protetta da uno strato metallico) di lettura. Dopo la carica ogni riga della matrice viene trasferita alla matrice di lettura il cui ultimo elemento è a scorrimento e vi è associato l'elemento di lettura. Mentre la matrice di lettura viene letta, un'altra immagine può essere accumulata.

Hanno un'alta densità di pixel e possono avere un area molto ampia, nel trasferimento possono continuare a esserci generazione di carica quindi necessitano di otturatori meccanici (fotocamere full-frame)

CCD a interline transfer (IT)
La matrice di esposizione e quella di accumulo sono interlacciate, quindi con un solo colpo di clock si riesce a trasferire tutte le cariche nella zona di registro a scorrimento. Che portano le cariche a un registro orizzontale. L'operazione è motlo veloce e quindi non necessitano di shutter. L'area attiva (fill factor) è minore rispetto alle frame transfer e quindi si utilizzano delle microlenti .

CCD lineari:
Quelli utilizzati nei dispositivi a scorrimento come fax, fotocopiatrici, scanner.

Come funziona un CCD?

Una prima parte sul funzionamento dal punto di vista dell'elettronica di un sensore CCD, come quello che viene montato all'interno delle nostre fotocamere, cellulari e videocamere.

Il cuore di un rivelatore per immagini CCD è il condensatore CMOS: un'eterogiunzione di Metallo, Ossido, Semiconduttore (drogato).

Nell'eterogiunzione si mantengono le relazioni tra le bande di conduzione (tra semiconduttore e isolante) e tra banda di conduzione e il livello di Fermi (tra metallo e isolante) .
Se consideriamo il lavoro di estrazione uguale per metallo e semiconduttore (Φm = Φs) e non iniettiamo nessun potenziale VG siamo nella condizione ideale di bande piatte.

Per poter sfruttare il condensatore CMOS come un accumulatore di carica dobbiamo polarizzare positivamente l'eterogiunzione. Abbiamo diversi regimi di polarizzazione:

1) Regime di svuotamento ed inversione

Con un potenziale positivo sul gate (metallo) allontaniamo le lacune verso il bulk, e si scopre così la carica spaziale creando una zona di svuotamento come avviene per una giunzione p-n. Ai lati dell'isolante abbiamo due distribuzioni di carica: puntiforme sul metallo e la zona svuotata nel semiconduttore, equivalenti in modulo. Al crescere del potenziale di gate si estende la zona di svuotamento, e la compensazione delle cariche per mantenere l'equilibrio viene non solo dalla zona di svuotamento ma anche dagli elettroni generati termicamente che possono finire in banda di conduzione (con VG alta sono più probabili perché con la bande piegate si ottiene che il livello di Fermi si avvicini alla banda di conduzione ottenendo così una differenza in energia sempre più vicina a KT). Si arriva a una soglia di inversione quando la carica di inversione Qn è pari al drogaggio del semiconduttore; in elevata inversione invece la Qn è maggiore del drogaggio.
In questi regimi il condensatore è all'equilibrio.

2) Regime di deep depletion:

Se la commutazione della tensione di gate da nulla a molto positiva è molto veloce si va in una situazione di non equilibrio per cui le lacune si spostano instantaneamente. La commutazione è più veloce del tempo di generazione termica degli elettroni. Quindi questo stato di non equilibrio permane fino al momento in cui inizio ad avere generazione spontanea, che però per un semiconduttore puro può durare anche decine di minuti. 

L'equilibrio può essere raggiunto anche tramite la generazione ottica, che per le differenze di rate di generazione è prevalente rispetto alla termica.

Si va così a sfruttare l'ampia zona di svuotamento come un serbatoio di cariche generate otticamente.

All'accumularsi di cariche si riduce la zona di svuotamento e si riduce anche il potenziale Φs che va a cadere sul semiconduttore. L'accumulo di cariche avviene fino a al raggiungimento della soglia di inversione (come un bicchiere che si riempie).

Il funzionamento di un CCD

Il condensatore CMOS oltre all'accumulazione della carica permette di trasferirla se ho più CMOS costruiti sullo stesso bulk (difatti originariamente il CCD non nasce come rivelatore di immagini, ma come memoria a registro di scorrimento).

La carica accumulata si trasferisce di condensatore in condensatore fino a uno stadio terminale dove viene estratta e trasformata in potenziale: alla fine della catena di condensatori si crea una buca di potenziale profonda con una diffusione n+, in modo che tutta la zona svuotata sia nel substrato p. Con le varie commutazioni di tensione tra i CMOS si sposta la carica in questa buca di potenziale e tramite un MOSFET si può misurare facilmente il potenziale associato alla carica accumulata.

 

Nota: se i CCD fossero realizzati come sono stati trattati avrebbero una qualità pessima: per acquisire immagini è importante la purezza e quindi che sia davvero trascurabile la generazione termica, l'interfaccia tra ossido e silicio è piena di difetti e quindi appena si crea la deep depletion la generazione termica incombe immediatamente, quindi con un diverso tipo di eterogiunzione si ottengono i cosiddetti dispositivi a canale sepolto nei quali prima di arrivare all'ossido il potenziale si abbassa e si ottiene una zona di svuotamento protetta dai difetti dell'interfaccia: le cariche sono lontane dall'ossido

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.