di  -  mercoledì 1 luglio 2009

Prendo spunto da questa news di Enrico per abbandonare temporaneamente la grafica 3D e tornare, questa settimana, a parlare di sensori per la cattura delle immagini. L’intento è quello di cercare di approfondire, nei limiti del possibile, poichè parliamo di una tecnologia presentata ufficialmente solo alla metà di giugno 2009, la conoscenza con questo nuovo tipo di sensore e cercare di capire, insieme, eventuali vantaggi e campi d’applicazione.

Iniziamo col dire che questo progetto è nato dalla collaborazione di tre società che lavorano da anni nel campo dei dispositivi per la cattura delle immagini ma che non sono note a chi si occupa di fotografia; le società in questione sono, infatti, la nordirlandese Andor Technology, la statunitense Fairchild Imaging e la tedesca PCO.

Il motivo per cui ho evidenziato il fatto che chi ha progettato il sCMOS, dove “s” sta per scientific, non si occupa di fotografia, risulta evidente dall’elenco di quelli che, nell’intento degli stessi progettisti, dovrebbe essere il campo d’impiego di questa tecnologia, elenco che riporto qui di seguito

Live cell microscopy
Particle Imaging Velocimetry (PIV)
Single Molecule Detection

Super resolution microscopy
TIRF microscopy / waveguides
Spinning disk confocal microscopy 

Genome sequencing (2nd and 3rd gen)
FRET
FRAP 

Bio- & Chemi – Luminescence
Lucky astronomy / imaging
Adaptive optics 

Solar astronomy
Spectral (hyperspectral) imaging
Fluorescence spectroscopy 

High content screening
Photovoltaic inspection
X-ray tomography 

Ophthalmology
Flow Cytometry
Biochip reading Machine vision
TV / Broadcasting
Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)

Da questa lista emergono alcuni elementi: innanzitutto, non si parla di applicazioni fotografiche; in secondo luogo, si tratta, prevalentemente, per non dire esclusivamente,  di applicazioni che prevedono ì’elaborazione di immagini in movimento, in cui un  eventuale istantanea è un evento del tutto incidentale ma non lo scopo per cui il dispositivo è stato ideato. Quindi, al momento, si può pensare all’utilizzo di sensori di tipo sCMOS per le videocamere ma non per le fotocamere (nell’elenco si parla esplicitamente, tra l’altro, di TV e Broadcasting e, quindi, di applicazioni video).

Cerchiamo, ora, di fare una conoscenza un po’ più approfondita con questa “nuova” tecnologia e tentiamo di capire in che modo può portare benefici in determinati ambiti.

In particolare, focalizziamo l’attenzione su alcune delle feature di questi sCMOS

# Read noise: < 2 e- rms @ 30 frames/s; < 3 e- rms @ 100 frames/sMaximum frame rate: 100 frames/s
# Dynamic range: > 16,000:1 (@ 30 frames/s)
# QEmax: 60% (with excellent red/NIR response) 

Messi li così, questi numeri non hanno molto senso e ne hanno ancora meno se non si fa riferimento al tipo di tecnologia che questi sensori dovrebbero andare a sostituire.

Ad esempio, partendo dalla fine, una efficienza quantica del 60%, in assoluto, non è un valore elevato: ci sono sensori per fotocamere che raggiungono e superano l’85%. Ed esistono anche sensori di tipo CCD, per l’elaborazione di immagini in movimento, per applicazioni di tipo medico scientifico, che raggiugono il 65% della QE,  come, ad esempio, il Kodak KAF 1001-E a 650 nm, ovvero la banda del rosso.  Il valore di read noise di 2 elettroni rms è ottimo per un ccd ma non eccelle se lo si paragona ad un cmos con tecnologia APS o ad un EMCCD.

Ma andiamo per gradi.  Come detto, il target di questo tipo di dispositivi è, soprattutto, quello delle applicazioni scientifiche e mediche e, in particolare, quelle che richiedono l’acquisizione di immagini in movimento. A questo punto, c’è da fare  alcune precisazioni circa il tipo di sensori utilizzati per la cattura di immagini fisse o in movimento. Per il primo tipo, ovvero quello impiegato nelle fotocamere, si privilegia la qualità dell’immagine alla velocità di acquisizione e di elaborazione. Per le immagini in movimento, al contrario, la velocità è un parametro non secondario. Fino a qualche anno fa, la tecnologia predominante in entrambi gli ambiti era quella che vedeva l’uso di sensori di tipo CCD. Una matrice CCD presenta una risposta uniforme alla radiazione incidente su tutta la superficie del sensore, impossibile da ottenere con un CMOS di tipo APS ma, nella sua incarnazione qualitativamente migliore, ovvero il cosiddetto sensore full frame CCD, non è in grado di garantire elevati frame rate. Di conseguenza, spesso per dispositivi che richiedono la cattura di immagini in movimento, soprattutto dove il frame rate è importante, si fa ricorso agli interline transfer CCD. Un terzo tipo di sensori CCD è il cosiddetto frame-transfer CCD che è una via di mezzo tra i due.

In basso, sono riportate le immagini dei tre tipi di sensori CCD

comparativa-sesnori-ccd.jpg

Nel Full Frame CCD (FF) c’è una riga di shifter register seriali che trasferiscono le cariche elettroniche, generate dai fotoni, all’interno di un circuito che amplifica il segnale e lo trasforma in un valore di tensione. Questo trasferimento dalla matrice di fotodiodi ai registri avviene riga per riga ed il trasferimento di carica avviene pixel per pixel verso l’amplificatore. E’ evidente che questa tipologia di matrice sia quella che garantisce la più elevata qualità poichè la quasi totalità della superficie del sensore è dedicata alla cattura della luce, ma è anche quella che presenta i tempi di elaborazione di gran lunga più lenti. Nei sensori utilizzati per fotocamere digitali che fanno uso di questo approccio, l’unica riga di registri è sostituita da due righe (una per lato)  o da due coppie di righe (due per lato) per aumentare la velocità di trasferimentodelle cariche dal sensore verso i circuiti che si occupan dell’amplificazione e della conversione da analogico a digitale del segnale.

Nel frame transfer CCD (FT), la riga di registri è sostituita da un’intera matrice composta dallo stesso numero di punti di quella fotosensibile, opportunamente schermata. Il trasferimento avviene frame per frame, una volta completata l’operazione di cattura della luce. La conversione della radiazione incidente in tensione avviene all’interno della matrice di “storage” ma le modalità di trasformazione della carica elettrica in valori di tensione sono gli stessi di quelli visti per il full frame CCD e le operazioni si svolgono sempre riga per riga e pixel per pixel. Il vantaggio è nella velocità di trasferimento dalla matrice di fotodiodi all’area di storage che avviene, epr tutti i pixel, in simultanea, rendendo l’area fotosensibile nuovamente pronta ad effettuare una “cattura”. Al contrario, nel FF CCD, l’area fotosensibile non è disponibile fino al suo completo svuotamento e, fino ad allora, deve essere protetta da eventuali fonti di luce (i nuovi fotoni in arrivo interferirebbero con quelli del frame che si sta elaborando).  Lo svantaggio evidente è che buona parte del sensore è occupata da elementi non fotosensibili, il che riduce, a parità di misura dell’intero sensore, la porzione utile ad effettuare la cattura delle immagini.

Nel CCD interline transfer (IT), invece, troviamo di nuovo i registri seriali ma, stavolta, ce n’è una riga per ogni riga di fotodiodi. In tal modo, il trasferimento degli elettroni avviene immediatamente, dal fotodiodo al registro adiacente e, da questi, dirottato verso la riga di registri posta nella parte bassa del sensore, che trasferisce ivalori di corrente, pixel per pixel, ai circuiti di amplificazione e conversione. Quest’ultimo tipo di sensore è quello che garantisce il frame rate di gran lunga più elevato ma anche quello che presenta la minor superficie utile per la cattura della luce e la maggior complessità a livello elettronico. Si tratta,  anche, del tipo di sensore più utilizzato in quei dispositivi che necessitano elevata velocità di cattura ed elaborazione delle immagini.

Ultima tecnologia che fa uso di matrici di tipo CCD è la Electron Multiplying CCD (EMCCD) introdotta da Andor nel 2000  per cui si rimanda al link di qualche riga più su.

Da un po’ di anni a questa parte, soprattutto grazie a Canon, in fotografia i sensori CMOS stanno sostituendo i CCD e, negli ultimi tempi, lo stesso sta avvenendo anche nelle videocamere. Poichè non si tratta di un articolo di confronto tra CCD e CMOS, mi limiterò solo a dire che alla minor uniformità di risposta alla radiazione incidente, i CMOS possono contrapporre un SNR (signal to noise ratio) più elevato  ed una maggior velocità di elaborazione complessiva. Oltre a ciò, presentano anche il vantaggio di avere i circuiti di conversione del segnale direttamente on chip e di poter rilevare e “gestire” la qualità del segnale pixel per pixel. Di contro,  sono più complessi e costosi da produrre e hanno parte della superficie del sensore non dedicata alla cattura della luce, poichè occupata dai circuiti elettronici (inconveniente a cui si dovrebbe ovviare con i sensori di tipo back illuminated).

Fatta questa ampia ma doverosa premessa, passiamo a parlare dei sCMOS. Abbiamo visto il target al quale si rivolgono, ora cerchiamo di appurare qualcosa di più.

Nella presentazione, avvenuta tra il 15 ed il 18 di giugno, si è fatto il paragone tra i sCMOS e gli interline transfer CCD e si è voluto sottolineare come i primi garantiscano una qualità molto più elevata rispetto ai secondi, con una cifra di rumore inferiore (nei CCD di tipo IT siamo intorno a 5-7 e. rms a 10-15 fps) . Questo già permette di contestualizzare quei valori dati in precedenza e relativi alle performance del sCMOS. Si tratta, dunque, di un dispositivo che non ambisce, almeno per ora, a rivaleggiare in qualità con i sensori delle fotocamere digitali, ma si prefigge di sostituire le attuali tecnologie adottate per sensori ad elevato frame rate.

Nell’immagine successiva, il paragone proprio con un CCD IT da 1,3 Mpixel, da cui risulta la più elevata cifra di rumore di quest’ultimo

scmos-vs-ccd-interline.jpg

Questo è uno dei vantaggi derivanti dall’adozione della tecnologia CMOS.

Passiamo all’ampio dynamic range dichiarato.  La tecnica utilizzata per ottenerlo, ricorda, concettualmente, quella vista per i super CCD di Fuji

fuji-super-ccd.jpg

In questo caso non è necessario avere due matrici di fotodiodi, una per le alte e l’altra per le basse luci poichè in unCMOS è possibile avere informazioni sull’intensità della luce incidente direttamente sul singolo pixel; in tal modo, è stato possibile realizzare uno schema in cui ogni colonna è dotata di un doppio amplificatore di segnale e di un doppio ADC (convertitore analogico/dgitale), uno per segnali al  di sotto e uno per segnali al di sopra di una determinata soglia. I due segnali sono trattati in maniera indipendente e interpolati in fase di ricostruzione.

schema-circuitale-scmos.jpg

Il risultato ottenuto è, in questo caso, degno di nota anche se la soluzione non appare originalissima.

In sintesi, ci si trova dinanzi ad un prodotto che dovrebbe, nell’ottica dei suoi progettisti, sostituire le attuali tecnologie utilizzate  per applicazioni di tipo scientifico o elettro-medicale e, con ogni probabilità, si può inquadrare nel processo di progressiva sostituzione delle tecnologie basate sull’utilizzo dei CCD con i CMOS per i sensori dei dispositivi digitali per l’acquisizione di immagini. In basso una tabella riassuntiva in cui si confronta il sCMOS con le attuali tecnologie più usate in campo medico o scientifico

scmos-tabella-riassuntiva-confronto.jpg

Mi scuso se la tabella non è molto leggibile ma, purtroppo, il layout è tiranno.

Da questa tabella si evince che il sCMOS risulta complessivamente, almeno sulla carta, molto competitivo in quanto a velocità, risoluzione e gamma dinamica. Non ha un’efficienza quantica molto elevata, ma il suo valore assoluto è relativamente indicativo, in quanto la QE è soprattutto funzionale all’ottenimento di un’ampia gamma dinamica e i numeri, in questo senso,  danno ragione alla tecnologia sCMOS.  In quanto ai consumi, l’utilizzo della tecnologia cmos ne permette il contenimento anche se la possibilità di abilitare la ripresa sia in modalità Rolling (ogni riga è esposta ed elaborata in tempi successivi) che Global (il classico snapshot full frame) costringe all’adozione di pixel a 5 transistor contro i 2 del classico inverter cmos, il che si traduce in un consumo superiore a quello di sensori cmos tradizionali, a parità di risoluzione.

Le premesse sulla carta sono buone, le società che hanno collaborato al progetto rappresentano una garanzia poichè operano da tempo nel settore vantando numerosi brevetti. Il tempo ci dirà se e quanto successo potrà riscuotere e se ci saranno possibili impieghi futuri di almeno parte delle tecnologie implementate in questo prodotto, anche in altri ambiti.

3 Commenti »

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  • # 1
    arkanoid
     scrive: 

    Da profano, mi viene da pensare: ma i sensori sono planari? Voglio dire, negli integrati come possono essere le cpu, lo strato di transistor è quello “esterno”, mentre tutte le interconnessione sono fatte su svariati altri piani.
    Nei sensori fotoelettrici questa cosa non è possibile? Sfruttare comunque quasi integralmente l’area sensibile e usare piani differenti, sottostanti, per la conduzione dei segnali al di fuori del sensore stesso?

  • # 2
    yossarian (Autore del post)
     scrive: 

    @ arkanoid

    quella che hai descritto è la filosofia che è alla base dei sensori di tipo back illuminated, che hanno la parte fotosensibile posta nello strato superiore e la parte circuitale al di sotto. Al momento questa è una tecnologia poco utilizzata perchè fino a poco tempo fa presentava delle problematiche a livello di realizzazione o, per meglio dire, a livello di fragilità dei chip così realizzati.

  • # 3
    Pleg
     scrive: 

    @arkanoid

    Lo strato e’ quello “inferiore”, cioe’ quello del (nel) silicio. Tutte le interconnessioni sono depositate sopra di questo, in diversi piani (da 3 a 10+ a seconda del nodo litografico e della tecnologia).

    Non c’entra con quello che dici, ma puoi dare un’occhiata ai sensori della Foveon, che usano anche la profondita’ del silicio sfruttando il fatto che diverse lunghezze d’onda hanno diverse lunghezze di assorbimento.

    BTW, uno dei pezzi grossi della Foveon e’ uno di quelli italiani geniali emigrati in America (Federico Faggin, co-creatore del primo microprocessore della Intel).

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