Che cos'è un sensore di immagine CMOS?

Un sensore di immagine CMOS è un dispositivo semiconduttore con tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) progettato per trasformare la luce in ingresso in un'immagine digitale. Come la maggior parte delle fotocamere digitali, rivela la luce in ingresso con migliaia di rivelatori di fotoni sulla superficie di un chip semiconduttore. Ogni rivelatore misura la frequenza (colore) e il numero (luminosità) dei fotoni assorbiti, convertendo l'energia dei fotoni in corrente elettrica. Tale corrente viene quindi amplificata dai transistor collegati a ciascun rivelatore. Questo tipo di sensore di immagine è chiamato sensore a pixel attivi (APS).

Poiché i sensori di immagine CMOS sono costruiti con la tecnologia di produzione dei semiconduttori standard, i chip di solito includono l'elaborazione del segnale, il convertitore analogico-digitale e la logica digitale on-chip. Si ottiene quindi una fotocamera completa su un chip. Questa tecnologia ha reso possibili molte applicazioni di imaging, tra cui piccole fotocamere digitali su smartphone, videocamere professionali ad alta definizione e ad alta velocità e sensori di osservazione della Terra su satelliti.

Le due tecnologie dei sensori di immagine dominanti, i dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD) e CMOS, sono state sviluppate contemporaneamente alla fine degli anni Sessanta. Entrambe sfruttano l'effetto fotoelettrico, che si verifica quando una particella di luce[1] un fotone viene assorbito in un atomo e introduce energia negli elettroni nell'atomo.

Se viene assorbita abbastanza energia, l'atomo espelle gli elettroni, creando una carica negativa nel materiale semiconduttore. L'area di assorbimento della luce e produzione degli elettroni di un sensore di immagine è chiamata fotodiodo. I fotodiodi sono disposti in un array in grado di misurare il colore e l'intensità della luce concentrata sulla loro superficie.

Nei sensori CCD, gli elettroni provenienti dal fotodiodo vengono catturati in una serie di condensatori e quindi amplificati. In un sensore CMOS, gli elettroni vengono inviati direttamente nei transistor e amplificati in corrispondenza del rivelatore. Il grande vantaggio del metodo CCD è che i condensatori si trovano dietro il fotodiodo e offrono perciò un'area di assorbimento della luce più ampia per ogni pixel. I transistor in un sensore CMOS sono accanto al fotodiodo e lasciano libero solo il 30% della superficie, la zona detta fattore di riempimento, per la rivelazione della luce.

La tecnologia CMOS è un processo di produzione di semiconduttori consolidato, pertanto i sensori CMOS sono molto meno costosi da produrre rispetto alle fotocamere CCD. Inizialmente, i sensori CCD venivano utilizzati più spesso perché producevano immagini di qualità superiore con meno rumore, mentre i sensori CMOS venivano utilizzati quando era necessaria una soluzione più efficiente dal punto di vista energetico o economico.

Nel corso del tempo, i miglioramenti nella tecnologia di produzione dei semiconduttori hanno permesso di ridurre le dimensioni dei pixel nei sensori di immagine CMOS, mentre l'elaborazione del segnale digitale on-chip potrebbe risolvere i problemi di qualità. Questi miglioramenti hanno portato la qualità delle immagini alla pari di quelle dei sensori CCD, mantenendo al contempo i vantaggi di un costo inferiore e di una maggiore efficienza energetica. Come tali, i sensori di immagine CMOS ad alta risoluzione e a basso consumo sono diventati la scelta preferita per la maggior parte delle applicazioni alla fine degli anni 2010.

Oggi, i dispositivi CCD sono utilizzati principalmente in applicazioni di fascia alta che richiedono bassa rumorosità e maggiore sensibilità, come la fotoastronomia, i sistemi di visione artificiale e le telecamere per microscopi. Tuttavia, anche i sensori di immagine CMOS stanno trovando spazio in queste applicazioni.

Confronto tra tecnologie CCD e CMOS

I sensori di immagine CMOS sono costituiti da una serie di pixel, ciascuno dei quali è catturato da quattro fotorivelatori, uno per il rosso, uno per il blu e due per il verde. Poiché ogni pixel è un array 2x2 e ci sono solo tre colori da filtrare, un colore deve ripetersi. Come colore ricorrente è stato scelto il colore verde perché la sua frequenza è quella a cui l'occhio umano è più sensibile. Questa disposizione di colori, chiamata schema di filtro Bayer, prevede blu e verde ripetuto sulle righe dispari e verde e rosso sulle righe pari.

Disposizione 2x2 pixel dei fotorivelatori in un Bayer

Ogni fotorivelatore è costruito sul substrato di silicio e contiene un fotodiodo per acquisire fotoni e tre transistor: un selettore di fila, un amplificatore e un transistor di reset. Il fotorivelatore è sormontato da un filtro a colori e da una microlente che concentra la luce sul fotodiodo. 

La geometria in un singolo fotorivelatore

Ogni fotorivelatore è costituito dal substrato di silicio, da una buca di potenziale e da un fotodiodo per misurare i fotoni in entrata. Il filtro a colori e la microlente mettono a fuoco e filtrano la luce, mentre i transistor e i bus amplificano e trasmettono la corrente prodotta.

Questo array di fotorivelatori è centrato su un chip come superficie focale di un gruppo di lenti. L'array è inoltre circondato da circuiti analogici e digitali utilizzati per assemblare e generare un'immagine digitale.

Un sensore di immagine CMOS è un sistema complesso che si occupa di fisica a livello atomico fino ai requisiti meccanici di packaging in un dispositivo assemblato. I team che progettano un nuovo sensore CMOS devono considerare i seguenti aspetti:

Progettazione fotonica

Il comportamento del fotodiodo è fondamentale per le prestazioni di un sensore CMOS. I progettisti devono considerare i parametri fotonici, come l'efficienza ottica, l'efficienza quantistica, la corrente di buio e la carica elettrica generata. Il design deve anche considerare la lunghezza d'onda della luce rivelata, dall'infrarosso al visibile all'ultravioletto.

Progettazione ottica

La precisione e l'efficienza di un sensore di immagine CMOS dipendono dalla qualità dell'immagine proiettata sull'array di sensori. Gli ingegneri ottici devono sviluppare un gruppo di lenti ottimizzato che offra una proiezione chiara e pianificata sulla superficie. Per ottenere una risposta più precisa del sensore, è necessario considerare anche l'effetto di un'incidenza della luce non normale e variabile a livello spaziale dalla lente alla superficie del sensore. Gli ingegneri devono inoltre progettare le microlenti, o lenti microscopiche, sopra ogni fotosensore per erogare la maggiore quantità di luce possibile al fotodiodo e comprendere l'impatto della luce incidente sul sensore.

Progettazione di circuiti analogici e digitali

Uno dei vantaggi dei sensori a pixel attivi è il concetto di avere tutti i circuiti analogici e digitali necessari come circuito integrato sullo stesso chip del sensore, creando una fotocamera su un chip. I progettisti di circuiti devono tenere conto dei problemi di alimentazione, dei tempi, dell'integrità del segnale e di altre considerazioni, pur inserendo il maggior numero possibile di pixel nel fattore di forma più piccolo possibile. Hanno anche bisogno di efficienti convertitori analogico-digitali (ADC) e di capacità di elaborazione delle immagini digitali sul chip stesso.

Packaging

Una volta progettato, il chip deve essere protetto e fornire collegamenti ai componenti elettronici che utilizzeranno l'immagine. Il packaging deve affrontare problemi termici, di stress e di vibrazioni, sempre mantenendo bassi i costi. Spesso il chip ottico viene fornito con altri componenti che utilizzano o supportano il sistema della fotocamera.

I miglioramenti nelle tecnologie di produzione dei semiconduttori hanno un impatto diretto sulle capacità dei sensori di immagine. Con la riduzione delle dimensioni degli elementi, gli architetti possono inserire più pixel in un'area più piccola. I consumatori osservano comunemente tale concetto nel numero sempre crescente di pixel sulla fotocamera del telefono cellulare, a parità di volume o addirittura in un volume inferiore.

Anche la velocità delle fotocamere che utilizzano i sensori di immagine CMOS è in aumento. Un'altra area di crescita è la proliferazione di videocamere a megapixel nelle applicazioni automotive, per offrire ai conducenti una maggiore consapevolezza dell'ambiente circostante e informare i sistemi di guida autonoma.

Gli esperti prevedono un aumento del lavoro di elaborazione digitale delle immagini eseguito sul chip del sensore per produrre un'immagine digitale ancora migliore. Si sta lavorando anche per esaminare diverse geometrie per il fotodiodo, passando dai filtri rosso-verde-blu (RGB) sui fotorivelatori ai filtri ciano-giallo-magenta (CYM) per una maggiore sensibilità e un segnale elettrico più forte. Ulteriori interventi intendono migliorare la sensibilità in condizioni di scarsa illuminazione e le prestazioni dell'imaging nell'infrarosso vicino (NIR).

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