L’ampia diffusione dei sensori di immagini in applicazioni industriali continua a pieno ritmo, guidata non solo dallo sviluppo di nuove tecnologie e dispositivi di rivelazione delle immagini, ma anche dai passi avanti ottenuti nelle piattaforme che li supportano, come i sempre più potenti sistemi di elaborazione digitali e le interfacce di trasmissione dati ad alta velocità. Oggi l’impiego di telecamere è diventato molto comune in settori applicativi molto diversificati, che spaziano dall’ispezione delle linee di assemblaggio al monitoraggio e la regolazione del traffico, dalla videosorveglianza alla diagnostica medicale e all’indagine scientifica. Tale diffusione è alimentata dai continui avanzamenti delle tecnologie che migliorano le prestazioni in termini di qualità dell’immagine, velocità di lettura e risoluzione. Data la coesistenza delle tecnologie Ccd e Cmos per la realizzazione dei nuovi sensori, è utile rivedere il funzionamento di queste due piattaforme, per guidare la scelta del sensore più adatto a una particolare applicazione.
La scelta del sensore giusto
Lo sviluppo dei sensori di immagini elettronici iniziò alla fine degli anni sessanta con la vincita del premio Nobel da parte di Boyle e Smith per l’invenzione del Ccd (Charge coupled cevice). Questi dispositivi sfruttano la capacità del silicio drogato di convertire i fotoni in elettroni, impiegando la quantità di carica raccolta da un pixel per misurare l’intensità luminosa che lo investe. Dal punto di vista architetturale, uno dei punti di forza di questo dispositivo è la sua semplicità: tutta l’area del pixel viene impiegata per rivelare fotoni e per immagazzinare la carica, massimizzando l’ampiezza del segnale per ottenere un’elevata dinamica. Gli stessi pixel vengono impiegati per trasferire la carica ad un certo numero di uscite, nelle quali la carica accumulata è convertita in una tensione. Nel corso del tempo questa architettura è stata migliorata per includere il trasferimento tra linee, che prevede un otturatore elettronico a livello di singolo pixel, che evita la necessità di un sovrapporre otturatore meccanico. Oggi i Ccd vengono realizzati tramite un processo tecnologico di fabbricazione altamente ottimizzato per le applicazioni di cattura delle immagini . Sono richiesti dei circuiti esterni per convertire le tensioni delle uscite analogiche in segnali digitali per l’elaborazione successiva. In generale, i Ccd sono caratterizzati dalla presenza di otturatori elettronici estremamente efficaci, da un’elevata dinamica e da una migliore uniformità dell’immagine. Invece, il punto di forza dei sensori di immagine Cmos è di poter essere fabbricati con gli stessi processi ottimizzati per i dispositivi microelettronici di massa, come circuiti integrati logici, microprocessori e memorie. In questo modo si ottiene un vantaggio importante: le sezioni di elaborazione digitale possono essere incorporate direttamente sullo stesso chip, per migliorarne le funzionalità. Invece che convertire la carica in tensione solo ad un numero di limitato di uscite, i sensori Cmos hanno un transistore posizionato in ciascun pixel (o per gruppi di pixel) per svolgere la conversione da carica a tensione. Così nel dispositivo si propaga la tensione (invece della carica), consentendo maggiore velocità e flessibilità di lettura. Inoltre, l’elaborazione di alto livello può essere integrata direttamente sul chip se desiderato, in modo che l’uscita del sensore sia già un immagine Jpeg compressa e processata o anche uno flusso (stream) video H.264.
Cmos per l’imaging industriale
Sebbene i sensori di immagine Ccd abbiano storicamente offerto prestazioni migliori rispetto ai dispositivi Cmos, questa distanza si è ridotta significativamente negli ultimi anni. Grazie ai miglioramenti della qualità dell’immagine, i sensori Cmos sono oggi più che adeguati per molte applicazioni. Ciò è evidente nell’ultima generazione di dispositivi Cmos dedicati alla applicazioni di imaging industriale, come la famiglia Python di sensori di immagini di ON Semiconductor. Nonostante alcuni parametri prestazionali dei migliori sensori Ccd ancora superino quelli offerti da questa famiglia, la qualità delle immagini acquisite dai dispositivi Python li rende adatti a ispezioni visive in linea, caselli di pedaggio autostradale, monitoraggio del traffico e analisi del movimento. In questo modo, si possono sfruttare appieno gli altri vantaggi offerti dalla tecnologia Cmos, come l’accesso ad una velocità di cattura dei fotogrammi maggiore, minore consumo di potenza, e l’isolamento di aree e regioni di interesse, tutti aspetti critici per il miglioramento della velocità, rilevante per l’adozione in tali applicazioni. Dati questi vantaggi intrinseci, alcuni hanno pronosticato l’inevitabile sparizione dei sensori Ccd, causata dal continuo avanzamento tecnologico della tecnologia Cmos che fa presagire per il futuro un sorpasso prestazionale da tutti i punti di vista. Tuttavia, per quanto entrambe le tecnologie continueranno indubbiamente a svilupparsi in futuro, l’architettura alla base dei Ccd suggerisce alcune aree nelle quali continueranno a mantenere un vantaggio prestazionale specifico, rendendoli l’opzione tecnologica preferita per quelle applicazioni industriali che richiedono le prestazioni migliori.
Una piattaforma Ccd innovativa
Per quanto l’uniformità dell’immagine continui a migliorare col progresso della tecnologia Cmos, il primato prestazionale continua ad appartenere ai sensori Ccd. Questa supremazia è un effetto diretto dell’architettura. Sebbene un sensore Cmos possa avere migliaia di amplificatori separati (uno per ogni colonna o addirittura uno per ogni pixel) i Ccd possono trasferire la carica dai pixel fino ad un singolo amplificatore, eliminando la dispersione del guadagno tra amplificatori di canali diversi. Un’elevata uniformità dell’immagine può essere molto importante per applicazioni come la diagnostica per immagini in ambito medicale e scientifico o anche nelle ispezione terminali in linea più critiche, ovvero in tutte le applicazioni di natura quantitativa in cui l’acquisizione di un’immagine non elaborata pulita è di vitale importanza. Inoltre, il mantenimento di tale uniformità scalando verso dispositivi ad altissima risoluzione e verso grandi formati ottici tende ad essere più facile con i Ccd rispetto ai Cmos. La natura analogica di un sistema Ccd consente di adattare una videocamera a una specifica applicazione finale, ottimizzando le caratteristiche dell’immagine. Ad esempio, per un’applicazione di fotografia astronomica, un produttore di videocamere può decidere di ottimizzare la piena dinamica del sensore, estendendola sacrificando la protezione anti-blooming (che può non essere importante in questa applicazione). Altre applicazioni scientifiche possono anche trarre beneficio dalla corrente di buio estremamente ridotta nei Ccd, quando tempi di esposizione di un’ora o più possono essere necessari per la rivelazione di segnali debolissimi.
In virtù di questi vantaggi architetturali, ON Semiconductor continua a tutt’oggi a investire miratamente su tecnologie e prodotti Ccd. Un esempio significativo è l’annuncio recente di una nuova piattaforma tecnologica che combina le prestazione del trasferimento interlinea dei Ccd tradizionali con una altissima sensibilità alla luce fornita dalla moltiplicazione di elettroni (Emccd) alle uscite. Questa combinazione consente a una singola fotocamera di catturare un’immagine in cui una porzione della scena (come ad esempio un vicolo) risulta molto poco illuminata (dalla luce della luna o delle stelle) mentre un’altra porzione è esposta ad una luce più forte (come un lampione). Questa capacità che consente alla fotocamera di avere una dinamica estrema, che copre dall’illuminazione diurna a quella notturna, è esclusiva della tecnologia Ccd e sfrutta la natura moltiplicativa dell’uscita Emccd, non ottenibile con i dispositivi Cmos che funzionano con segnali in tensione. Il primo prodotto che incorpora questa tecnologia, con risoluzione di 1080 punti e funzionante fino a 30 pfs, è stato ottimizzato per affrontare applicazioni a bassa illuminazione come la sorveglianza e l’imaging medicale e scientifico.
Un confronto tecnologico
Sebbene si abbia la tentazione di identificare un vincitore nel confronto tra tecnologie Ccd e Cmos, questo è fuorviante, dato che ogni tecnologia possiede dei punti di forza peculiari e offre dei vantaggi diversi agli utenti. Se da un lato i prodotti in tecnologia Cmos vengono impiegati sempre più diffusamente, rimangono ancora delle aree in cui i sensori Ccd mantengono un vantaggio, rappresentando la scelta migliore per alcune applicazioni. Di conseguenza, piuttosto che eseguire un confronto alla ricerca della tecnologia migliore in assoluto, è più importante identificare le prestazioni chiave di un caso applicativo specifico e quindi confrontare queste richieste critiche che le caratteristiche offerte da vari prodotti. Se in certi casi la tecnologia migliore è evidente, esistono altri casi in cui l’esito del confronto è meno netto e quindi è importante lavorare con un’azienda che rappresenta entrambe le tecnologie, in modo da evitare pregiudizi. Grazie all’accesso a una vasta gamma di prodotti basati su tecnologie sia Ccd che Cmos, i clienti possono identificare e scegliere il dispositivo realmente più adatto alla loro applicazione finale, diventando loro stessi i reali vincitori.
