Sensori CCD. Dispositivi per la cattura delle immagini. Condensatore MOS (Metal Oxide Silicon) Sensori CCD. I Sensori CCD

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1 Sensori CCD Dispositivi per la cattura delle immagini I Sensori CCD Il CCD (abbreviazione di Charge Coupled Device) è utilizzato come sensore ottico in telecamere e fotocamere, cioè il componente che permette di trasformare l'immagine proveniente dall'obiettivo in corrente elettrica è quindi in un segnale video. Si tratta di un'invenzione relativamente recente (Boyle e Smith nel 1970). Sensori CCD Il principio fisico su cui si basa tale dispositivo è l'effetto fotoelettrico. La struttura può essere riassunta in una superficie di dimensioni massime 6 x 6 centimetri, il cui costituente fondamentale è silicio, organizzata in una matrice di elementi, detti pixel, ciascuno costituito dall'elemento base di un CCD, il condensatore MOS (Metal Oxide Silicon). Condensatore MOS (Metal Oxide Silicon) In virtù di tale particolare struttura, se si genera una differenza di potenziale tra l'anodo e il catodo, si crea, immediatamente sotto lo strato di ossido, una zona (detta di svuotamento) priva di cariche positive; esse infatti si spostano verso il basso del substrato per effetto della polarizzazione positiva a cui è sottoposto l'elettrodo di alluminio.

2 Meccanismo di azione Schematizzando, si possono individuare quattro momenti fondamentali nel funzionamento di un CCD: La generazione delle cariche per effetto fotoelettrico La raccolta delle cariche Il trasferimento delle cariche, variando i potenziali degli elettrodi in modo opportuno L'estrazione della carica mediante il circuito di uscita Generazione e raccolta Trasferimento della carica Consiste nell'accoppiare le cariche e spostarle in modo opportuno fino al registro di lettura; Il fotone interagisce con il substrato di silicio in zona di svuotamento e la carica prodotta viene accumulata Quest'ultimo è costituito da una riga di pixel, anch'essa pilotata da tensioni, in cui la carica si sposta ortogonalmente rispetto alla zona di lettura e d accumulo del segnale.

3 Full Time Transfer CCD Frame Transfer CCD In questo caso i pixel della matrice funzionano inizialmente come rivelatori di luce e poi come registri di scorrimento (shift register) mentre il CCD orizzontale funziona solo come registro di scorrimento. La matrice è divisa in due parti uguali. Vantaggi:alta risoluzione spaziale perché sfrutta otticamente tutta l'area della matrice. Difetti:Il trasferimento di carica avviene in tempi di circa 100 ms (10 immagini al secondo) per matrici 1000x1000. Durante il trasferimento della carica, i pixel della matrice saranno esposti alla luce così, quelli trasmessi per ultimi, potranno accumulare più carica con la conseguente distorsione dell'immagine. Questo inconveniente viene evitato predisponendo uno schermo di luce esterno per oscurare il CCD durante il trasferimento (otturatore meccanico). Vantaggi : velocità - tempo di trasferimento dell immagine : ms (quindi circa 1 ms fra due esposizioni) (il tempo per leggere il sensore resta però 100ms) Difetti : serve una matrice doppia ma non sfrutto la parte bassa che non è fotosensibile Interline Transfer CCD Ogni colonna è composta da elementi fotosensibili affiancati da un registro a scorrimento verticale (vertical CCD) schermato e da essi separato da un "gate" di trasferimento verticale (Vertical transfer gate) anch'esso schermato. Estrazione del segnale L'ultimo passo da compiere per avere informazioni dal CCD è l'estrazione della carica mediante il circuito d'uscita. Vantaggi : velocità - tempo di trasferimento alla colonna adiacente e quindi tra due immagini: 1µs (il tempo per leggere il sensore resta però 100ms) Difetti : una riduzione sostanziale dell'area fotosensibile della matrice.

4 Estrazione del segnale Modello di utilizzo Da esso il segnale viene amplificato da un preamplificatore posto subito dopo il circuito d'uscita del CCD e subito dopo è convertito dal convertitore analogico/digitale. Da questo momento il segnale non è più costituito da tensioni o correnti di tipo analogico ma da dati binari. Alla fine del processo l'impulso di reset azzera il nodo d'uscita, che è pronto per ricevere il pixel successivo. Tutto il processo di lettura dei pixel avviene in genere in tempi dell'ordine dei microsecondi, mentre il cosiddetto "collo di bottiglia" è rappresentato dal sistema che converte la carica letta in ogni pixel in dato binario. In genere il tempo che intercorre tra l'inizio della lettura dei pixel e l'elaborazione finale del segnale in dati binari dipende dal numero dei pixel del CCD e dalla velocità del convertitore analogico digitale; valori tipici sono dell'ordine dei secondi. Fonti di disturbo Fonti di disturbo Rumore fotonico, dovuto alla disuniformità del flusso di fotoni incidente su una determinata superficie tra due intervalli di tempo. Avendo tale flusso una distribuzione statistica caratteristica, l'incertezza su di esso risulta pari a Rumore elettronico, dovuto alle componenti elettroniche necessarie per il funzionamento del CCD. Tale rumore elettronico, chiamato Read Out Noise, è il responsabile principale nell'errore di misura del segnale. Esso si può determinare tramite il cosiddetto overscan, ovvero la lettura dell'elettronica del CCD in assenza di segnale. In breve, se il CCD ha dimensioni 1000 x 1000 pixel, si fanno leggere al controller, ad esempio, 1200 x 1200 pixel; quindi 200 pixel per ogni lato vengono letti nuovamente, stavolta senza segnale e solamente con il contributo elettronico del sistema di conversione e del cosiddetto "BIAS", l'effetto della polarizzazione del circuito di uscita; Raggi cosmici (astronomia), dovuto all'interazione dei raggi cosmici con il silicio. Tali particelle ad alta energia interagiscono generando muoni secondari che depositano nel silicio circa 80 elettroni per micron. Se ad esempio in un immagine si notano più pixel luminosi, facilmente associabili ad una sorgente di radiazione, l'ambiguità sulla natura della sorgente è facilmente eliminabile con una doppia esposizione, in quanto se il gruppo di pixel è stato generato da un raggio cosmico, nella seconda esposizione non si avrà lo stesso effetto nello stesso punto, per effetto della casualità con cui i raggi cosmici colpiscono il rivelatore. Rumore termico, dovuto all'agitazione termica degli elettroni all'interno del CCD. Tale rumore termico o Dark Current può essere notevolmente ridotto raffreddando la superficie del CCD a temperature molto al di sotto dello zero Celsius, in modo da limitare tale contributo termico sul segnale. Poiché i pixel non sono tutti uguali la dark current non si somma in modo uniforme in ognuno di essi; per avere informazioni su di essa si usa la tecnica dei Dark Frames, ovvero esposizioni ad otturatore chiuso con lo stesso tempo dell'immagine ad alla stessa temperatura del CCD; la sottrazione del Dark Frame all'immagine permette di eliminare la dark current. Comunque ciò non è necessario per esposizioni brevi, visto che a basse temperature essa si riduce fino ad un elettrone per ora per pixel.

5 La tecnologia C-MOS In tempi recenti sono apparse sul mercato telecamere con CCD basati su tecnologia C-MOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Questa tecnologia consente di ottenere telecamere molto piccole, e in genere più economiche delle telecamere CCD tradizionali. Sebbene i costruttori specializzati sostengano l'opposto, le telecamere C-MOS sono oggi apparecchi sicuramente economici, ma che offrono una qualità d'immagine assai povera. Soffrono molto la luminosità eccessiva e sono per questo inutilizzabili all'aperto. Le telecamere C-MOS sono oggi utilizzate in applicazioni di basso profilo come webcam o videocitofoni.