Sensore CMOS

3.1.2.1 Concetti di Base dei sensori a tecnologia CMOS

Il CMOS, acronimo di complementary metal-oxide semiconductor, è un tipo di tecnologia utilizzata in elettronica per la progettazione di circuiti integrati, alla cui base sta l'uso dell'invertitore a transistor MOSFET. Si tratta di una struttura circuitale costituita dalla serie di una rete di "Pull-Up" ed una di "Pull-Down": la prima s'incarica di replicare correttamente il livello logico alto (LL1) mentre alla seconda è destinata la gestione del livello logico basso (LL0).

La rete di Pull-Up è costituita di soli P-MOS, ovvero transistor metallo-ossido- semiconduttore (MOSFET) a eetto di campo che si "accendono" solo se la ten- sione presente al loro gate (misurata rispetto il loro source) è minore della loro tensione di soglia, che per questi particolari componenti equivale a metà tensione di alimentazione.

Inversamente la rete di Pull-Down è costituita di soli N-MOS, ovvero MOSFET che si accendono solo se la tensione presente al loro gate (misurata rispetto il loro source) è maggiore della loro tensione di soglia. In Figura 3.6 si riporta la rete Pull-up e Pull-down

Figura 3.6: Rete Pull-up, rete Pull-down

Uno dei principali vantaggi della logica CMOS è di avere una potenza statica dissipata idealmente nulla: questa caratteristica è dovuta alla complementarietà

del pull-down (n-Mos) e del pull-up (p-Mos); ossia, quando è acceso il pull-up, è spento il pull-down, e viceversa.

3.1.2.2 Il sensore CMOS per immagini

Una volta risolto i problemi iniziali legati sopratutto alla mancanza di uniformità del silicio di cui sono costituiti, la tecnologia CMOS ha trovato largo impiego in fotocamere e videocamere.

Nella maggior parte dei sensori cmos all'interno del chip stesso viene integrata una logica di elaborazione. Questa si occupa di ogni operazione di elaborazione dell'immagine, comprendendo la conversione di fotoni a elettroni, la conversione di elettroni a livelli di tensione e la conversione da analogico a digitale. I dati inviati dal sensore CMOS raggiungono quindi direttamente il sistema di elaborazione e/o memorizzazione dell'immagine.

Grazie ai recenti sviluppi, i sensori CMOS sono ora in grado di orire immagini di qualità equivalente a quella dei sensori CCD, ma sono comunque inadatti alle telecamere che devono generare immagini di altissima qualità. I sensori CMOS riducono signicativamente il costo della telecamera poiché contengono tutti i componenti logici necessari per le telecamere. Possono, inoltre, essere utilizzati per telecamere di piccole dimensioni.

Uno dei limiti più signicativi dei sensori CMOS deriva dalla loro minore sensibilità alla luce, che non rappresenta un problema in condizioni di normale illuminazione ma può diventarlo se la luce è scarsa. Le immagini generate da questi sensori in condizioni di scarsa illuminazione possono essere infatti molto scure o disturbate da rumore.

3.1.2.3 Architettura di base

In Figura 3.7 viene mostrata la congurazione di base di un sensore CMOS. Come si può osservare possiamo suddividere tale architettura in 3 parti:

Figura 3.7: Congurazione di base del sensore CMOS

ˆ Controller: Unità di controllo che gestisce le temporizzazioni del sensore e continene le aree di memoria per il salvataggio dei dati dell'immagine. ˆ Area attiva: È la zona sensibile del sensore in cui sono presenti le matrici di

pixel.

ˆ Unità di elaborazione: A seconda del tipo d'uscita richiesta al sensore (dig- itale o analogica). Questa unità provvede all'eventiale campionamento e digitalizzazione dei dati.

3.1.2.4 Riconoscimento colorimetrico

I sensori CCD e CMOS non sono in grado di eettuare un riconoscimento dei colori in quanto sono sensibili alle sole variazioni di luminosità (ossia all'energia dei fotoni che impattano sui sensori). Pertanto, si sono sviluppate diverse soluzioni per ottenere un'immagine a colori a partire da un sensore di luce che, tipicamente, prevedono il posizionamento di uno specico componente per la selezione delle lunghezze d'onda, a monte della fase di cattura del fotone. Questi componenti possono essere:

ˆ Beam splitter. E' composto da tre prismi che suddividono il fascio di luce in tre parti uguali in base alle loro caratteristiche colorimetriche (blu, verde e rosso); i tre fasci sono poi direzionati verso i tre sensori di immagine e, complessivamente, ognuno dei tre colori viene assegnato ad ogni pixel (Figura

3.8). Questa soluzione è la più costosa e tipicamente è usata nelle macchine digitali professionali in cui è richiesta un'ottima qualità di immagine.

Figura 3.8: Beam splitter

ˆ Filtri a rotazione. E' un metodo più economico e per questo maggior- mente utilizzato; consiste in un unico supporto,contenente una serie di ltri RGB (Red, Green, Blue), che viene ruotato di fronte ad un singolo sensore. Quest'ultimo memorizza così le tre immagini in rapida successione ed asseg- na, anche in questo caso, i tre colori per ciascun pixel. Un grande svantaggio di questa soluzione è la non contemporanea cattura delle immagini; ciò ob- bliga a mantenere il sensore stazionario per il tempo necessario alla completa acquisizione (Figura 3.9).

Figura 3.9: Filtri a rotazione

ˆ Filtro di Bayer. E' il metodo più rapido ed economico per acquisire l'im- magine a colori e consiste nel posizionare permanentemente sul sensore un

array di ltri (Figura 3.10): si alterna una riga di ltri rossi e verdi con una di verdi e blu. Così facendo i pixel non sono equalmente divisi tra i ltri ma si ha una maggiore presenza di verde; ciò è motivato dal fatto che l'occhio umano è più sensibile al verde rispetto agli altri due colori fondamentali. Inoltre, ogni pixel cattura solo uno dei tre colori e, complessivamente, viene immagazzinata il 50% della luce verde e solo il 25% della luce rossa e blu. Pertanto, all'acquisizione dell'immagine segue una complessa elaborazione basata sul metodo dell'interpolazione. In questa soluzione, sopra al ltro di Bayer è posizionato un array di microlenti per focalizzare la luce incidente sui singoli pixel

Figura 3.10: Filtro Bayern

ˆ Tecnologia Foveon. E' il metodo più recente e rivoluzionario per la cattura di un'immagine a colori. Si basa sulla presenza di tre strati separati di pixel rica- vati nel silicio: dato che questo materiale assorbe diferenti lunghezze d'onda a diverse profondità, ogni strato cattura un singolo colore. Conseguentemente, il sensore rileva tutti e tre i colori ad ogni posizione

3.1.3 Parametri Caratteristici di sensori d'immagini