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Le diverse tipologie di sensori ottici

CCD

Il presente articolo descriverà brevemente le principali caratteristiche dei dispositivi in grado di rilevare e trasdurre il segnale ottico al fine di poter giustificare  quali sono stati i parametri principali che hanno portato alla scelta di un sensore CCD per la realizzazione del sistema di acquisizione dati di questa tesi.

Le classiche opzioni che il mercato offre sono costituite da sensori CCD e CMOS-APS che si riveleranno entrambe accettabili in termini di velocità, sensibilità e precisione. La preferenza ricadrà sul sensore di immagine ELIS-1024 (Enhanced High Performance Linear CMOS Image Sensor ), prodotto dalla Panavision Imaging ( ex Silicon Video Inc .), che attualmente commercializza la linea di sensori CMOS Active Column SensorTM (ACS®).

Dopo una breve introduzione sullo sviluppo di questi moderni sensori (la tecnologia dei CCD è trentennale, i CMOS sono di circa dieci anni più giovani), verranno esposti brevemente i criteri qualitativi con cui si discriminano i due tipi di sensori con riferimento alle ragioni tecnologiche, tecniche e commerciali.

Con riferimento a specifiche stringenti in termini di semplicità di realizzazione e costo si prenderà atto dell’offerta attualmente disponibile nel mercato. Infine, definita la scelta si descriveranno le caratteristiche attese dal componente considerato e si mostreranno i problemi pratici riscontrati nella realizzazione del prototipo utilizzato nei successivi test di laboratorio.

Fotorivelatori:

Un fotorivelatore converte per foto generazione un segnale luminoso in un segnale elettrico  ed è l'elemento che sta alla base delle strutture più complesse utilizzate per trasdurre del segnale ottico in elettrico.

La foto generazione è un meccanismo di interazione tra energia e materia che consiste nella generazione,in un semiconduttore,di una coppia elettrone–lacuna libera, per assorbimento di un fotone. Esempi classici di fotorivelatori sono la fotoresistenza e i fotodiodi.

Array di Fotorivelatori:

Utilizzando un array di fotorivelatori non solo si può misurare l’intensità di un fascio luminoso ma si riescono a ricostruire anche informazioni sulle proprietà spaziali della luce. Nel corso degli ultimi 30 anni sono state proposte svariate tecniche che hanno portato all’affermarsi di due classi di sensori di immagine ad array di pixel: i CCD ed i più giovani CMOS.

I sensori CCD:

Entrando ancora più nel dettaglio possiamo affermare che la struttura basilare di un sensore CCD (Charge Coupled Device) è il condensatore MOS. I fotoni incidenti generano coppie elettrone-lacuna separate successivamente da un campo elettrico applicato.

Gli elettroni accumulati alla base del gate vengono poi letti per ricavare un valore proporzionale alla radiazione incidente.

Il meccanismo di lettura del vettore di condensatori MOS è sequenziale e avviene traslando le cariche in maniera ordinata verso la sezione di lettura, con un meccanismo simile a quello utilizzato dagli shift register. I CCD di terza generazione utilizzano proprio uno shift register per la lettura trasferendo in parallelo tutte le cariche accumulate nei MOS e poi procedendo alla lettura seriale dei singoli pixel.E’ chiaro, quindi, che in questi dispositivi esiste un vincolo stringente sull’ordine di lettura della sequenza di pixel.

I sensori CMOS:

I sensori CMOS si sono sviluppati e diffusi negli anni ’90 sotto la spinta della NASA per creare apparecchiature di visione in miniatura e integrate, leggere, a basso consumo energetico e con una buona resa qualitativa. Nei sensori CMOS il meccanismo di accumulo delle cariche è praticamente identico a quello già esposto per i sensori CCD. Ciò che cambia sostanzialmente è il meccanismo di lettura. La carica accumulata nell’array di fotorivelatori non viene trasferita sequenzialmente in uscita ma la lettura avviene per indirizzamento del singolo pixel che viene connesso, tramite un bus comune, direttamente all’uscita. L’obiettivo di rendere i sensori CMOS effettivamente competitivi rispetto ai CCD è stato raggiunto solo con i CMOS preamplifier per pixel comunemente chiamati Active Pixel Semsor(APS).

 

 

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ritratto di telegiangi61

Grazie

Grazie Divivoma per questa panoramica che hai fornito sulle tipologie di sensori ottici, io tra l'altro avevo sempre confuso i CCD con i CMOS.
Per la differenza con gli APS, volevo chiederti se e' possibile gestire il guadagno del preamplificatore integrato, e se la loro sensibilità si estende fino al campo dell'infrarosso, o è ristretto allo spettro del visibile.

 

 

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