Un chip che converte la luce dentro ogni pixel
Un sensore CMOS è un sensore d’immagine costruito con il processo CMOS, cioè la tecnologia con cui si fabbrica la gran parte dei circuiti integrati digitali. La sigla sta per complementary metal-oxide-semiconductor e descrive il modo di realizzare i transistor sul silicio, non l’ottica: dice come è fatto il chip, non che cosa inquadra.
La superficie sensibile è una matrice di pixel. Ogni pixel contiene un fotodiodo, che libera cariche elettriche in quantità proporzionale alla luce ricevuta, e almeno un transistor che serve a leggerlo. Il nome tecnico corretto di questa architettura è sensore a pixel attivi: attivo perché la conversione della carica in tensione e la prima amplificazione avvengono dentro il pixel stesso, non a valle.
Le righe e le colonne si indirizzano come in una memoria, così si può leggere un pixel qualsiasi o una finestra ritagliata dentro l’immagine senza scorrere tutto il resto.
Che cosa c’è dentro un pixel
Lo schema classico ne ha tre di transistor, e si chiama per questo 3T: uno azzera il fotodiodo prima dell’esposizione, uno amplifica la tensione che si è formata, uno collega il pixel alla colonna quando arriva il suo turno di lettura. Lo schema a quattro transistor aggiunge una porta di trasferimento verso un nodo separato, e questo permette di misurare il livello di partenza e quello finale sottraendoli fra loro, con meno rumore e senza residui dell’immagine precedente.
Sopra ogni pixel c’è quasi sempre una microlente che raccoglie la luce che cadrebbe fra un fotodiodo e l’altro, e un filtro colorato: il singolo pixel misura solo intensità, il colore nasce dalla disposizione dei filtri e dal calcolo che li ricompone.
Sensore CMOS e CCD: due modi di leggere la stessa carica
Il confronto con il dispositivo ad accoppiamento di carica è il modo più rapido per capire che cosa distingue questa famiglia. In un CCD la carica accumulata non viene convertita dove si trova: viene spostata di pixel in pixel, come secchi passati di mano in mano, fino a uno o pochi nodi di uscita, dove un solo amplificatore la trasforma in tensione. In un sensore a pixel attivi la conversione avviene in ogni pixel, e le colonne vengono lette in parallelo.
Le conseguenze sono precise e vanno in entrambe le direzioni.
- Consumo: lo spostamento delle cariche in un CCD chiede tensioni di pilotaggio alte, la lettura per pixel no. È il motivo per cui il CMOS ha vinto negli apparecchi a batteria.
- Uniformità: un solo amplificatore per tutta la matrice tratta ogni pixel allo stesso modo, molti amplificatori differiscono un poco l’uno dall’altro, e la differenza si vede come rumore a schema fisso, sempre uguale immagine dopo immagine.
- Integrazione: il processo CMOS è lo stesso della logica, quindi sullo stesso chip trovano posto convertitori analogico-digitali, temporizzazione ed elaborazione. Un CCD ha bisogno di elettronica esterna.
- Velocità e traboccamento: la lettura parallela per colonne è più rapida, e la carica in eccesso di un pixel molto illuminato si scarica localmente invece di riversarsi lungo la colonna come nel CCD.
Il primato storico è del CCD, inventato nel 1969; l’idea del pixel attivo è del 1968, ma le prime realizzazioni CMOS arrivano fra il 1992 e il 1993. A metà degli anni Duemila i CMOS hanno superato i CCD nelle vendite, e nel 2017 valevano l’89 per cento del mercato dei sensori d’immagine.
Rolling shutter: il prezzo della lettura per righe
Poiché le righe vengono esposte e lette una dopo l’altra, in un sensore di questo tipo la prima riga e l’ultima non guardano lo stesso istante. È l’otturatore a scorrimento, o rolling shutter: su una scena ferma non si nota, su un movimento rapido deforma, inclinando le linee verticali o piegando ciò che vibra. L’alternativa è l’otturatore globale, che congela tutta la matrice nello stesso istante trasferendo ogni pixel in una zona di memoria, al costo di area e complessità in più; nei CCD la stessa cosa è connaturata al modo in cui la carica viene trasferita.
Il sensore in punta agli strumenti
La miniaturizzazione spinta dalla telefonia ha portato questi sensori dove prima passavano solo fibre ottiche. Negli endoscopi la disposizione chiamata chip-on-tip mette il sensore all’estremità distale dello strumento, subito dietro l’obiettivo: l’immagine viene formata e digitalizzata sul posto e verso l’esterno viaggiano segnali elettrici, non un fascio di fibre che ne trasporta la luce. Le misure in gioco sono minuscole, con chip di 0,7 millimetri di lato e matrici di 220 righe per 220 colonne, e strumenti interi da 1,8 millimetri di diametro che accanto al sensore alloggiano anche l’illuminatore.
La stessa tecnologia sta nelle telecamere digitali della diagnostica per immagini di superficie, come dermatoscopi, videotoscopi e capillaroscopi, e nelle telecamere con attacco a passo C che si innestano sull’oculare di un microscopio o di un endoscopio rigido. Lì il sensore non è in punta: sta nel corpo della telecamera, e l’ottica gli porta l’immagine.
Tre cose diverse chiamate CMOS
La stessa sigla indica almeno tre oggetti, e la confusione è frequente. Il processo CMOS è una tecnologia costruttiva, valida per qualunque circuito integrato. Il sensore CMOS è un sensore d’immagine fabbricato con quel processo. La memoria CMOS di un computer è tutt’altro: una piccola memoria che conserva le impostazioni della scheda madre, alimentata da una pila a bottone, e quando si parla di batteria CMOS scarica ci si riferisce a quella, non a un sensore.
Va tenuta distinta anche la dimensione del sensore dalla sua tecnologia: formati come il pieno formato o l’APS-C dicono quanto è grande l’area sensibile, e quindi quanta luce raccoglie ciascun pixel a parità di conteggio, ma non dicono nulla su come quel silicio legga la carica.
