Dalla conversione fotoelettrica alla generazione di immagini: differenze essenziali nei principi di imaging

In molti scenari applicativi dell'automazione industriale, della visione artificiale e della ricerca scientifica, le telecamere industriali, in quanto apparecchiature fondamentali per l'acquisizione di informazioni sull'immagine, influenzano direttamente l'accuratezza e l'affidabilità dell'intero sistema in termini di prestazioni. Il componente principale che determina le prestazioni delle telecamere industriali è il sensore di immagine, tra i quali CCD (Charge Coupled Device) e CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sono le due principali vie tecnologiche. Sebbene entrambi si basino sullo stesso principio di conversione fotoelettrica, che utilizza l'effetto fotoelettrico dei materiali semiconduttori per convertire i fotoni in elettroni, esistono differenze fondamentali nei metodi di elaborazione e trasmissione del segnale.

Il concetto di progettazione dei sensori CCD è quello di elaborare centralmente i segnali fotoelettrici: quando la luce colpisce l'array di pixel, ogni pixel genera un pacchetto di carica proporzionale all'intensità della luce. Questi pacchetti di carica richiedono un complesso processo di trasferimento: sotto il controllo preciso degli impulsi di clock, le cariche dei pixel vengono spostate riga per riga verso un singolo nodo di uscita (o un numero molto piccolo di nodi di uscita) sul bordo del chip, dove vengono eseguite la conversione carica-tensione e l'amplificazione del segnale. Questo design assicura che tutti i segnali dei pixel passino attraverso lo stesso percorso del segnale, garantendo un elevato grado di coerenza nell'uscita del segnale.

Al contrario, i sensori CMOS adottano un'architettura innovativa di elaborazione distribuita. Sui chip CMOS, ogni pixel non solo contiene un fotodiodo, ma integra anche amplificatori indipendenti in miniatura e circuiti di conversione analogico-digitale. Questo design consente a ogni pixel di convertire le cariche in segnali di tensione in loco e di leggerli direttamente attraverso una rete di fili di riga e colonna intersecanti. Sebbene questa struttura migliori notevolmente la velocità di lettura e riduca il consumo energetico, le differenze di prestazioni tra milioni di amplificatori in miniatura comportano inevitabilmente problemi di coerenza del segnale.
Questa differenza fondamentale nella trasmissione del segnale ha portato a una serie di differenze di prestazioni tra le due tecnologie nelle applicazioni delle telecamere industriali. Comprendere la differenza tra lo "spostamento sequenziale e l'uscita centralizzata" del CCD e la "conversione parallela e la lettura distribuita" del CMOS è alla base della comprensione di tutte le successive differenze tra i due.

Confronto di cinque fattori di prestazione fondamentali: rumore, consumo energetico, risoluzione, sensibilità e costo2.1 Prestazioni del rumore e qualità dell'immagine

I sensori CCD hanno il vantaggio del controllo del rumore grazie all'elaborazione centralizzata del segnale. Poiché tutti i pixel condividono lo stesso amplificatore di uscita (o pochissimi), si evitano le differenze di amplificazione tra i pixel. Questo design, combinato con la tecnologia matura dello strato di isolamento a giunzione PN o di biossido di silicio, riduce efficacemente la generazione di rumore fisso, fornendo così un'uscita più pura e coerente in termini di qualità dell'immagine. Soprattutto in condizioni di lunga esposizione o di scarsa illuminazione, i sensori CCD possono ancora mantenere bassi livelli di rumore, rendendoli molto apprezzati nelle applicazioni di misurazione di precisione e di imaging in condizioni di scarsa illuminazione.
Al contrario, ogni pixel di un sensore CMOS è dotato di un amplificatore di segnale indipendente. Sebbene questo design migliori la velocità di lettura, le piccole differenze di prestazioni tra milioni di amplificatori provocano rumore fisso. Questo rumore si manifesta come interferenza fissa sull'immagine, soprattutto in scene illuminate in modo uniforme. Tuttavia, con i progressi della tecnologia CMOS, le moderne telecamere CMOS di grado industriale hanno migliorato significativamente questo problema attraverso il campionamento doppio correlato (CDS) e gli algoritmi di correzione digitale, e alcuni prodotti di fascia alta hanno raggiunto o addirittura superato il livello di qualità dell'immagine del CCD.

2.2 Efficienza energetica e differenze di consumo energetico

In termini di consumo energetico, il CMOS presenta vantaggi significativi. Il CMOS adotta un metodo di acquisizione dell'immagine attivo, in cui la carica generata dal fotodiodo viene amplificata e inviata direttamente dall'adiacente transistor. L'intero sensore richiede solo un'unica alimentazione e il consumo energetico tipico è solo 1/8 o 1/10 dei CCD simili. Questa caratteristica rende il CMOS la scelta preferita per le applicazioni sensibili all'energia, come i dispositivi portatili, i sistemi embedded e gli array multi-telecamera.
L'elevato consumo energetico del CCD è dovuto al suo meccanismo di trasferimento di carica passivo. Richiede tre set di alimentatori con tensioni diverse (di solito 12-18 V) e un complesso circuito di controllo del clock per pilotare il trasferimento di carica. Questo non solo aumenta la complessità della progettazione dell'alimentazione, ma comporta anche problemi di dissipazione del calore: quando si lavora ad alta risoluzione o ad alta frequenza di fotogrammi, l'aumento della temperatura del CCD aumenterà ulteriormente il rumore termico, formando un circolo vizioso. Pertanto, i sistemi industriali che utilizzano telecamere CCD richiedono spesso dispositivi di dissipazione del calore aggiuntivi.

2.3 Risoluzione e progettazione dei pixel

Quando si confrontano sensori delle stesse dimensioni, il CCD fornisce in genere una risoluzione più elevata. Questo perché la struttura dei pixel del CCD è relativamente semplice, quasi l'intera area del pixel può essere utilizzata per la fotosensibilità e la proporzione di area fotosensibile (fattore di riempimento) può raggiungere oltre il 95%. E ogni pixel in CMOS richiede l'integrazione di transistor e componenti di circuito aggiuntivi, che riducono l'area fotosensibile effettiva in queste 'regioni non fotosensibili'. Ad esempio, per i sensori con una specifica di 1/1,8 pollici, il CCD può raggiungere una risoluzione di 1628 × 1236 (pixel da 4,40 μ m), mentre il CMOS ha in genere una risoluzione di 1280 × 1024 (pixel da 5,2 μ m).
Tuttavia, la tecnologia CMOS sta gradualmente riducendo questo divario attraverso progetti retroilluminati (BSI) e impilati. Il CMOS retroilluminato utilizza un flip chip per dirigere la luce sull'area fotosensibile dalla parte posteriore, bypassando lo strato di circuito sulla parte anteriore e migliorando significativamente il fattore di riempimento. Il CMOS impilato separa e produce lo strato fotosensibile dallo strato di circuito di elaborazione prima dell'incollaggio, ottimizzando ulteriormente l'utilizzo dello spazio. Queste innovazioni consentono alle moderne telecamere industriali CMOS di fascia alta di fornire risoluzioni superiori a 20 milioni di pixel, soddisfacendo la stragrande maggioranza delle esigenze di ispezione industriale.

2.4 Sensibilità alla luce e prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione

In termini di sensibilità, i sensori CCD mantengono i loro vantaggi tradizionali. Grazie alla maggiore area fotosensibile effettiva all'interno del pixel, il CCD può catturare più fotoni in ambienti con scarsa illuminazione, fornendo migliori prestazioni del rapporto segnale-rumore. I dati dei test mostrano che l'occhio umano può riconoscere gli oggetti con un'illuminazione di 1 Lux (equivalente a una notte di luna piena) e l'intervallo di sensibilità del CCD è di 0,1-3 Lux, mentre il CMOS tradizionale richiede un'illuminazione di 6-15 Lux per funzionare efficacemente - questo significa che in ambienti con scarsa illuminazione inferiori a 10 Lux, il CMOS tradizionale può difficilmente catturare immagini utilizzabili.
Questa differenza è particolarmente critica in applicazioni speciali come gli endoscopi industriali, il monitoraggio notturno e le osservazioni astronomiche. Tuttavia, il CMOS moderno ha migliorato significativamente le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione attraverso progetti di pixel di grandi dimensioni (come dimensioni di pixel superiori a 3 μ m) e una tecnologia avanzata di array di microlenti. Alcuni sensori CMOS di fascia alta hanno persino raggiunto un'efficienza quantica (QE) superiore al CCD attraverso la tecnologia retroilluminata, raggiungendo un'efficienza di conversione dei fotoni superiore al 95% a specifiche lunghezze d'onda.

2.5 Costo di produzione e considerazioni economiche

In termini di struttura dei costi, il CMOS ha un vantaggio schiacciante. I sensori CMOS utilizzano lo stesso processo di produzione dei circuiti integrati a semiconduttore standard e possono essere prodotti in serie in fabbriche di wafer che producono chip per computer e dispositivi di archiviazione. Questa compatibilità di processo riduce significativamente i costi unitari. Allo stesso tempo, l'elevata integrazione del CMOS consente ai produttori di telecamere di sviluppare "telecamere a livello di chip" - integrando sensori, processori e circuiti di interfaccia su un singolo chip, semplificando ulteriormente il processo di assemblaggio e i requisiti dei circuiti periferici.
Al contrario, il processo di produzione del CCD è unico e complesso, con solo Sony e DALSA, Panasonic e pochi altri produttori che hanno capacità produttiva. Il suo meccanismo di trasferimento di carica è estremamente sensibile ai difetti di fabbricazione: un singolo guasto del pixel può comportare l'incapacità di trasmettere l'intera riga di dati, riducendo significativamente il tasso di rendimento. Inoltre, le telecamere CCD richiedono circuiti di supporto aggiuntivi (tra cui controller di temporizzazione, convertitori analogico-digitale e processori di segnale), che collettivamente fanno salire il prezzo del prodotto finale, rendendo il costo delle telecamere industriali CCD in genere da 1,5 a 3 volte quello delle telecamere CMOS con le stesse specifiche.