2025/08/05Dagli smartphone agli strumenti scientifici, i sensori di immagine sono al centro della tecnologia visiva odierna. Tra questi, i sensori CMOS sono diventati la forza dominante, alimentando qualsiasi cosa, dalle foto di tutti i giorni alla microscopia avanzata e all'ispezione dei semiconduttori.
La tecnologia "Complementary Metal Oxide Semiconductor" (CMOS) è un'architettura elettronica e un insieme di processi di fabbricazione le cui applicazioni sono incredibilmente ampie. Si potrebbe infatti affermare che la tecnologia CMOS sia alla base dell'era digitale moderna.
Che cos'è un sensore CMOS?
I sensori di immagine CMOS (CIS) utilizzano pixel attivi, ovvero tre o più transistor in ciascun pixel della fotocamera. I pixel CCD ed EMCCD non contengono transistor.
I transistor in ogni pixel consentono di controllare questi pixel 'attivi', amplificare i segnali attraverso transistor 'a effetto di campo' e accedere ai loro dati, tutto in parallelo. Invece di un singolo percorso di lettura per un intero sensore o una frazione significativa di un sensore, unTelecamera CMOSInclude almeno un'intera riga di convertitori analogico-digitali (ADC) di lettura, uno (o più) ADC per ciascuna colonna del sensore. Ognuno di questi può leggere simultaneamente il valore della propria colonna. Inoltre, questi sensori a "pixel attivi" sono compatibili con la logica digitale CMOS, aumentando le potenziali funzionalità del sensore.
Nel loro insieme, queste caratteristiche conferiscono ai sensori CMOS la loro velocità. Tuttavia, grazie a questo aumento del parallelismo, i singoli convertitori analogico-digitali (ADC) impiegano più tempo per misurare i segnali rilevati con maggiore precisione. Questi tempi di conversione più lunghi consentono un funzionamento a bassissimo rumore, anche con un elevato numero di pixel. Grazie a questo e ad altre innovazioni, il rumore di lettura dei sensori CMOS tende ad essere da 5 a 10 volte inferiore rispetto a quello dei CCD.
Le moderne telecamere CMOS scientifiche (sCMOS) sono un sottotipo specializzato di CMOS progettato per l'acquisizione di immagini a basso rumore e ad alta velocità in applicazioni di ricerca.
Come funzionano i sensori CMOS? (Inclusi i sensori rolling shutter e global shutter)
Il funzionamento di un tipico sensore CMOS è illustrato nella figura e descritto di seguito. Si noti che, a causa delle differenze operative descritte di seguito, la temporizzazione e il funzionamento dell'esposizione saranno diversi per le fotocamere CMOS con otturatore globale rispetto a quelle con otturatore a scorrimento.
NOTA: Il processo di lettura per le fotocamere CMOS differisce tra fotocamere con otturatore a scorrimento (rolling shutter) e fotocamere con otturatore globale (global shutter), come discusso nel testo. In entrambi i casi, ogni pixel contiene un condensatore e un amplificatore che producono una tensione in base al conteggio dei fotoelettroni rilevati. Per ogni riga, le tensioni di ogni colonna vengono misurate simultaneamente da convertitori analogico-digitali di colonna.
Serranda avvolgibile
1. Per un sensore CMOS rolling shutter, partendo dalla riga superiore (o dal centro per le fotocamere con sensore diviso), eliminare la carica dalla riga per iniziare l'esposizione di quella riga.
2. Trascorso il tempo di esposizione (in genere 5-20 μs), passare alla riga successiva e ripetere dal punto 1, finché l'intero sensore non è esposto.
3. Per ogni riga, le cariche si accumulano durante l'esposizione, fino al termine del tempo di esposizione della riga stessa. La prima riga ad essere avviata terminerà per prima.
4. Una volta terminata l'esposizione per una riga, trasferire le cariche al condensatore di lettura e all'amplificatore.
5. La tensione di ciascun amplificatore in quella riga viene quindi collegata all'ADC di colonna e il segnale viene misurato per ogni pixel della riga.
6. L'operazione di lettura e ripristino richiederà il "tempo di riga" per essere completata, dopodiché la riga successiva da esporre avrà raggiunto la fine del suo tempo di esposizione e il processo si ripeterà dal punto 4.
7. Non appena la lettura della riga superiore è completata, a condizione che la riga inferiore abbia iniziato l'esposizione del fotogramma corrente, la riga superiore può iniziare l'esposizione del fotogramma successivo (modalità sovrapposizione). Se il tempo di esposizione è inferiore al tempo del fotogramma, la riga superiore deve attendere che la riga inferiore inizi l'esposizione. Il tempo di esposizione minimo possibile è in genere pari al tempo di riga.
Telecamera CMOS raffreddata FL 26BW di Tucsen, dotato del sensore Sony IMX533, utilizza questa tecnologia rolling shutter.
Otturatore globale
1. Per avviare l'acquisizione, la carica viene simultaneamente azzerata dall'intero sensore (reset globale del pixel).
2. La carica si accumula durante l'esposizione.
3. Al termine dell'esposizione, le cariche accumulate vengono trasferite in una cavità mascherata all'interno di ciascun pixel, dove possono attendere la lettura senza che vengano contati i nuovi fotoni rilevati. Alcune fotocamere trasferiscono le cariche nel condensatore del pixel in questa fase.
4. Con le cariche rilevate memorizzate nell'area mascherata di ciascun pixel, l'area attiva del pixel può iniziare l'esposizione del fotogramma successivo (modalità sovrapposizione).
5. Il processo di lettura dall'area mascherata procede come per i sensori rolling shutter: una riga alla volta, dalla parte superiore del sensore, le cariche vengono trasferite dal pozzetto mascherato al condensatore di lettura e all'amplificatore.
6. La tensione di ciascun amplificatore in quella riga è collegata all'ADC di colonna e il segnale viene misurato per ogni pixel della riga.
7. L'operazione di lettura e ripristino richiederà il "tempo di riga" per essere completata, dopodiché il processo si ripeterà per la riga successiva a partire dal punto 5.
8. Una volta lette tutte le righe, la telecamera è pronta a leggere il fotogramma successivo e il processo può essere ripetuto dal passaggio 2, oppure dal passaggio 3 se il tempo di esposizione è già trascorso.
La fotocamera sCMOS monocromatica Libra 3412M di TucsenUtilizza la tecnologia dell'otturatore globale, che consente l'acquisizione nitida e rapida di campioni in movimento.
Vantaggi e svantaggi dei sensori CMOS
Vantaggi
● Velocità più elevateI sensori CMOS sono in genere da 1 a 2 ordini di grandezza più veloci nella trasmissione dei dati rispetto ai sensori CCD o EMCCD.
● Sensori più grandiUna maggiore velocità di trasmissione dei dati consente un numero di pixel più elevato e campi visivi più ampi, fino a decine o centinaia di megapixel.
● Bassa rumorositàAlcuni sensori CMOS possono avere un rumore di lettura pari a soli 0,25e-, paragonabile a quello degli EMCCD, senza la necessità di moltiplicazione della carica che introduce ulteriori fonti di rumore.
● Flessibilità delle dimensioni dei pixelI sensori delle fotocamere per consumatori e smartphone riducono le dimensioni dei pixel fino a circa 1 μm, e le fotocamere scientifiche arrivano comunemente a pixel fino a 11 μm, con la possibilità di arrivare fino a 16 μm.
● Minore consumo energeticoI bassi requisiti di potenza delle telecamere CMOS ne consentono l'utilizzo in una più ampia varietà di applicazioni scientifiche e industriali.
● Prezzo e durataLe telecamere CMOS di fascia bassa hanno in genere un costo simile o inferiore a quello delle telecamere CCD, mentre le telecamere CMOS di fascia alta costano molto meno delle telecamere EMCCD. La loro durata di vita prevista dovrebbe essere di gran lunga superiore a quella di una telecamera EMCCD.
Svantaggi
● TapparellaLa maggior parte delle fotocamere CMOS scientifiche è dotata di otturatore a scorrimento (rolling shutter), che può complicare i flussi di lavoro sperimentali o precludere alcune applicazioni.
● Ribes nero più altot: La maggior parte delle fotocamere CMOS ha una corrente di buio molto più elevata rispetto ai sensori CCD e EMCCD, introducendo talvolta un rumore significativo nelle lunghe esposizioni (> 1 secondo).
Dove vengono utilizzati oggi i sensori CMOS
Grazie alla loro versatilità, i sensori CMOS trovano impiego in una vasta gamma di applicazioni:
● Elettronica di consumoSmartphone, webcam, reflex digitali, action cam.
● Scienze della vita: Potenza dei sensori CMOStelecamere per microscopiaUtilizzato nell'imaging a fluorescenza e nella diagnostica medica.
● Astronomia: I telescopi e i dispositivi di imaging spaziale utilizzano spesso la tecnologia CMOS scientifica (sCMOS) per ottenere alta risoluzione e basso rumore.
● Ispezione industriale: Ispezione ottica automatizzata (AOI), robotica etelecamere per l'ispezione dei semiconduttoriAffidatevi ai sensori CMOS per velocità e precisione.
● Settore automobilistico: Sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), telecamera posteriore e telecamera di parcheggio.
● Sorveglianza e sicurezzaSistemi di rilevamento del movimento e di funzionamento in condizioni di scarsa illuminazione.
La loro velocità e il loro rapporto costo-efficacia rendono la tecnologia CMOS la soluzione ideale sia per l'uso commerciale su larga scala che per il lavoro scientifico specializzato.
Perché il CMOS è ormai lo standard moderno
Il passaggio dalla tecnologia CCD alla CMOS non è avvenuto dall'oggi al domani, ma era inevitabile. Ecco perché la tecnologia CMOS è ormai la pietra angolare del settore dell'imaging:
● Vantaggio di produzioneRealizzato su linee di produzione standard per semiconduttori, riducendo i costi e migliorando la scalabilità.
● Miglioramenti delle prestazioniOpzioni di otturatore rolling shutter e global shutter, migliore sensibilità in condizioni di scarsa illuminazione e frame rate più elevati.
● Integrazione e IntelligenzaI sensori CMOS ora supportano l'elaborazione AI on-chip, l'edge computing e l'analisi in tempo reale.
● Innovazione: I nuovi tipi di sensori, come i sensori CMOS impilati, i sensori di immagine quantistici e i sensori curvi, sono realizzati su piattaforme CMOS.
Dagli smartphone atelecamere scientificheLa tecnologia CMOS si è dimostrata adattabile, potente e pronta per il futuro.
Conclusione
I sensori CMOS si sono evoluti fino a diventare lo standard moderno per la maggior parte delle applicazioni di imaging, grazie al loro equilibrio tra prestazioni, efficienza e costo. Che si tratti di immortalare ricordi quotidiani o di condurre analisi scientifiche ad alta velocità, la tecnologia CMOS costituisce il fondamento del mondo visivo odierno.
Grazie a innovazioni come il CMOS a otturatore globale e l'sCMOS, che continuano ad ampliare le capacità di questa tecnologia, il suo predominio è destinato a proseguire per molti anni a venire.
FAQ
Qual è la differenza tra una tapparella a rullo e una tapparella globale?
Un otturatore a scorrimento legge i dati dell'immagine riga per riga, il che può causare artefatti di movimento (ad esempio, distorsione o tremolio) quando si riprendono soggetti in rapido movimento.
L'otturatore globale cattura l'intera inquadratura simultaneamente, eliminando la distorsione dovuta al movimento. È ideale per applicazioni di imaging ad alta velocità come la visione artificiale e gli esperimenti scientifici.
Che cos'è la modalità di sovrapposizione CMOS a otturatore scorrevole (Rolling Shutter CMOS Overlap Mode)?
Nelle fotocamere CMOS con rolling shutter, in modalità sovrapposizione, l'esposizione del fotogramma successivo può iniziare prima che quello corrente sia completamente terminato, consentendo frame rate più elevati. Ciò è possibile perché l'esposizione e la lettura di ciascuna riga sono sfalsate nel tempo.
Questa modalità è utile in applicazioni in cui la frequenza dei fotogrammi e la velocità di trasmissione massime sono fondamentali, come nell'ispezione ad alta velocità o nel tracciamento in tempo reale. Tuttavia, potrebbe aumentare leggermente la complessità della temporizzazione e della sincronizzazione.
