Come funziona un sensore d'immagine CMOS: dal pixel al segnale digitale
Funzionamento del sensore CMOS: passo dopo passo
Un sensore d'immagine CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) converte la luce in dati di immagine digitale usando circuiti paralleli on-chip — la tecnologia dominante nelle moderne fotocamere, telefoni e sensori.
1. Cattura del fotone (fotodiodo)
Ogni pixel contiene un fotodiodo incernierato (PPD). I fotoni incidenti generano coppie elettrone-lacuna. Gli elettroni vengono raccolti in un pozzo di potenziale. Capacità = capacità del pozzo pieno (es. 20.000–100.000 e⁻).
2. Conversione carica-tensione (amplificatore in-pixel)
Il transistor follower di sorgente (o architettura pixel 3T/4T/5T) converte la carica accumulata in tensione in ogni pixel. Questa è la differenza chiave rispetto al CCD (singolo amplificatore di uscita).
3. Lettura parallela per righe
- La linea di selezione riga attiva una riga alla volta.
- Le tensioni dei pixel vengono instradate tramite bus di colonna verso ADC paralleli per colonna (convertitori analogico-digitale) in basso/alto dell'array.
- Ogni colonna ha il proprio ADC (o condiviso tra 2 colonne) → massiccio parallelismo.
4. Elaborazione del segnale on-chip
- Correlated Double Sampling (CDS): Sottrae il rumore di reset (rumore kTC) — critico per bassa lettura del rumore.
- Guadagno digitale, correzione offset, correzione FPN di colonna.
- Binning, HDR (multiple esposizioni), estrazione dati AF a rilevamento di fase.
5. Uscita
Flusso di pixel digitale (MIPI CSI-2, SLVS-EC, HiSPi, parallelo) → Image Signal Processor (ISP) → ulteriore elaborazione (demosaicing, NR, tone mapping, compressione) → memorizzazione/visualizzazione.
CMOS vs. CCD Riepilogo
| Aspetto | CMOS | CCD |
|---|---|---|
| Lettura | Parallela (ADC di colonna) | Seriale (singola uscita) |
| Potenza | Bassa (mW) | Alta (centinaia mW–W) |
| Velocità | Alta (centinaia fps) | Bassa (pochi fps) |
| Integrazione | Alta (ISP, AF, logica on-chip) | Bassa (chip separati) |
| Rumore | Basso (con CDS, BSI) | Molto basso (storicamente) |
| Otturatore globale | Possibile (pixel otturatore globale, stacked) | Nativo |
| Costo | Basso (fabbricazione CMOS standard) | Alto (processo specializzato) |
Progressi moderni
- BSI (Back-Side Illumination): Cablaggio dietro il fotodiodo → QE più alta, pixel più piccoli.
- CMOS Stacked: Strato pixel + strato logica (DRAM, ISP) legati → velocità, otturatore globale, HDR multi-frame.
- Quad Bayer / Tetracell: 4 pixel dello stesso colore condividono microlente → binning per bassa luce, remosaic per alta risoluzione.
Il CMOS ha vinto scalando con la legge di Moore. Oggi i sensori 1 pollice, APS-C, full-frame e per telefoni sono tutti CMOS — e migliorano ogni generazione.