I sensori CCD - Università degli Studi di Napoli Federico II

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Sensori CCD
Dispositivi per la cattura delle immagini

I Sensori CCD

Università degli studi di Napoli
"Federico II"
Ing. Antonio Fratini
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).
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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).
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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.
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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
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Generazione e raccolta
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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
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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.
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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 : 0.1-0.8 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
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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.
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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.
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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.
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Fonti di disturbo
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.
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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.
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