Dalle Nicchie ai Mercati di Massa

Dalle Nicchie ai Mercati di Massa
I sensori d’immagine CMOS catturano tutto lo spettro: dal consumer all’industriale all’automotive
By (Tim Baeyens, Cypress Semiconductor Corp.)
Sommario
Il mercato dei sensori d’immagine CMOS ha intrapreso una strada di sviluppo molto dinamico verso i mercati di massa. Ecco
l’esempio di Cypress.
Introduzione
Grazie alle sue eccellenti prestazioni e alle doti di flessibilità la tecnologia di conversione immagini CMOS è utilizzata non
solo nelle classiche applicazioni di image processing industriale ma anche in aree legate alle più recenti applicazioni
consumer. Oltre a questo, assicura elevati livelli di sicurezza e di comfort nelle applicazioni automotive.
Un futuro di immagini perfette
All’inizio c’era solo l’image processing industriale; esso rappresenta ancora oggi una chiave importante per le soluzioni di
automazione in quanto consente di raggiungere una maggiore produttività, una migliore qualità e processi produttivi più
economici. Secondo IMS Research [1], il mercato dell’image-processing industriale in Europa beneficierà nel prossimo futuro
di un incremento annuo del 6%, con le soluzioni intelligenti – dotate di funzioni software integrate nella fotocamera – che si
aggiudicheranno quote sempre più consistenti. In Germania – secondo l’associazione dei produttori di macchine utensili
VDMA (Verband deutscher Maschinen- und Anlagenbauer) – nel 2004 l’image processing è cresciuto del 14 % [2]. La società
di ricerche In-Stat/MDR prevede che da qui al 2008 il solo mercato dei sensori d’immagine crescerà di più del 30 % all’anno
[3]. Cosa più importante, i sensori CMOS cresceranno sette volte più velocemente rispetto ai sensori CCD. Ad alimentare la
domanda saranno i telefoni cellulari con fotocamera integrata e le videocamere digitali.
Un set di specifiche stringenti
L’impressionante tasso di crescita che si prospetta per i convertitori d’immagine CMOS è ovviamente legato al fatto che
rispetto ai CCD - per oltre tre decenni dominatori del settore - questa tecnologia soddisfa meglio la crescente domanda di
qualità imposta ai sensori di immagini. Oltre a questo, la tecnologia CMOS consente di dare vita a nuove applicazioni che sino
ad oggi non potevano essere realizzate in modo economico. In tale contesto, i vantaggi principali sono:
. cattura immagini più flessibile
. maggiore sensibilità
. range dinamico più ampio
. risoluzione maggiore
. consumi ridotti
. miglior integrazione di sistema
Esistono anche degli aspetti più "soft" che lavorano a favore della tecnologia CMOS. Tra questi si segnalano: supporto
applicativo, resistenza alle radiazioni, tipi di otturatore, copertura di spettro e di windowing.
Questo elenco è però del tutto arbitrario in quanto i vari criteri pesano in modo diverso in funzione dell’applicazione –
consumer, industriale o automotive.
Il diavolo nei dettagli
Prendere l’immagine di un’intera scena, così come si fa nella fotografia analogica, sembra una cosa tutto sommato naturale.
Lo stesso vale per le fotocamere dei telefoni cellulari. Nelle applicazioni industriali o automotive la cosa è piuttosto diversa:
alcune situazioni non richiedono un quadro particolareggiato. Nelle videocamere di sorveglianza, per esempio, l’immagine a
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bassa risoluzione è totalmente accettabile in quanto viene richiesto solo di riconoscere dei cambiamenti nella scena - sintomo
indicativo di situazioni sospette. Solo in tali condizioni è richiesta una maggiore risoluzione che consenta di ottenere sufficienti
dettagli. L’attività conseguente può quindi svolgersi solo in una sezione del campo visivo della telecamera e solo questa parte
della scena catturata può avere un certo interesse. Con un sensore CCD - che eroga esclusivamente immagini full-frame – i
due diversi tipi di osservazione sono possibili solo utilizzando circuiterie di valutazione separate, con costi e tempi aggiuntivi.
Un sensore d’immagini CMOS, si comporta come una RAM: tutti i bit memorizzati possono essere letti individualmente. Gli
array di sensori CMOS (Fig. 1) possono essere indirizzati come pixel singoli o come gruppi di pixel e possono essere letti di
conseguenza: come pattern regolari (sub-sampling) o selezionando solo una parte dell’immagine (windowing).
Figura 1- I sensori CMOS (in questo caso un IBIS5-A-1300) sono strutturati come dispositivi di memorizzazione RAM
per consentire un rapido accesso random a gruppi o ad arraty di pixel. Con pixel attivi a quattro transistor è
possibile dare vita a otturatori sincroni.
Nei sensori CMOS il sub-sampling offre meno risoluzione ma garantisce una velocità di frame maggiore (numero di immagini
o di sotto-immagini al secondo), mentre il windowing consente di scegliere in modo casuale un’area di interesse. Per fare
questo, vengono trasferite al sensore CMOS le coordinate degli angoli della finestra desiderata sotto forma di valori di
start/stop degli indirizzi X- e Y-, che quindi avvia la procedura di lettura a una velocità di frame più elevata. La presenza di una
certa quantità di pre-processing direttamente nel sensore ridurrà il data rate. Questo è solo un esempio si come si possibile
integrare in un sensore CMOS della logica, operazione impossibile con i CCD.
Da preferire i sensori altamente sensibili
Condizioni essenziali per molte applicazioni dei moderni sensori CMOS sono l’alta sensibilità, il tempo di esposizione
contenuto e le ridotte dimensioni del pixel (caratteristica che permette di fare buon uso dei fotoni che colpiscono l’area
sensibile all’immagine). Una misura della sensibilità del pixel è il cosiddetto “fattore di riempimento” (rapporto tra l’area
sensibile alla luce e all’intera area del pixel) e l’efficienza quantica, cioè il numero di elettroni generati dai fotoni che colpiscono
lo schermo. I sensori CCD, per loro natura, hanno un fattore di riempimento elevato. Nei sensori d’immagine CMOS, il fattore
di riempimento deve essere potenziato con misure adatte. Per ottenere valori di rumore e di sensibilità comparabili a quelli dei
converter CCD, i sensori d’immagine CMOS sono quindi popolati di “active pixel sensors” (APS), cioè da elementi costituiti da
fotodiodi e amplificatori (Fig. 1). Questo ovviamente riduce il fattore di riempimento in quanto una parte considerevole della
superficie di pixel è occupata dai transistor dell’amplificatore, lasciando meno spazio ai fotodiodi. Un obiettivo di sviluppo
significativo per i sensori CMOS è l’aumento del fattore di riempimento, limitato da numerosi parametri:
effetti di oscuramento dovuto alla metallizzazione o al silicide
fotoni che arrivano agli strati insensibili alla luce (amplificatore) dei pixel attivi
dimensioni relativamente ridotte dello strato sensibile alla luce
ricombinazione dei fotoelettroni (o lacune) e trasportatori di cariche esistenti che limitano la lunghezza della diffusione.
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Poiché la zona sensibile alla luce dei pixel standard APS è limitata all’area del diodo, il fattore di riempimento può essere
significativamente incrementato grazie a una tecnica brevettata da Cypress e denominata FillFactory [4]. Con FillFactory, gran
parte del chip CMOS standard viene trasformata in area sensibile alla luce (Fig. 2).
Figura 2 - Grazie a un procedura brevettata, i fotoelettroni eccitati nello strato epitassiale sono guidati verso il
fotodiodo attraverso un pozzo di potenziale. Ciò permette di incrementare il fattore di riempimento.
I fotodiodi, pur rimanendo ancora piccoli, assorbono una corrente di buio contenuta: essi elaborano principalmente la luce
entrante dalle varie direzioni. Otre a questa, vengono rilevati i fotoelettroni che entrano nello strato epitassiale al di sotto della
superficie dell’intero pixel e che normalmente vengono persi. Questi sono separati dalla matrice di pixel attivi al di sopra di essi
e dal substrato stottostante da opportune barriere elettrostatiche.
Grazie a un pozzo (o valle) di potenziale di circa 100 millivolt (sezione trasversale A) vengono canalizzati lateralmente e fatti
fluire al livello della barriera del fotodiodo (sezione trasversale B). Praticamente, tutti gli elettroni si diffondo nella zona del
drain. Questa architettura assicura un elevato fattore di riempimento e una corrente di buio ridotta (rispetto ad aree
d’immagine costituite da grandi diodi) nonché un elevato tasso di sensibilità di conversione carica-tensione all’interno dello
strato di barriera.
Ombre scure alle luci brillanti
Il rapporto segnale/rumore di un sensore lineare d’immagine CMOS determinerà il suo range dinamico - cioè l’arco
d’intensità luminose che possono essere elaborate dal ricettore dell’immagine durante una trama.
Per un tipico sensore d’uso industriale – quale il modello a 4-Mbit LUPA-4000 – questo rapporto è intorno ai 66 dB (2000 : 1)
in modalità single-slope.
Oggi però molte scene d’interesse – nell’industria, in medicina o nel traffico – sono soggette a condizioni di illuminazione
sfavorevoli, che rendono utile disporre di un ampio range dinamico. I sensori d’immagine CMOS possono garantire questa
caratteristica grazie al funzionamento multi-slope: la curva di conversione consiste di porzioni lineari con inclinazioni differenti,
che raccolte insieme danno origine a una caratteristica non lineare.
In tal modo, la parte più scura della scena può occupare una fetta considerevole del range di conversione del converter
analogico-digitale integrato: qui la caratteristica di conversione è più ripida per assicurare livelli di contrasto e sensibilità
superiori. L’appiattimento della zona superiore della caratteristica permetterà la cattura di vari ordini di grandezza di
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sovraesposizione della sezione illuminata dell’immagine e ne consentirà la riproduzione secondo una scala colore ancora
appropriata.
Facendo funzionare il LUPA-4000 in modalità multi-slope si otterrà una dinamica ottica fino a 90 dB in un range di conversione
A/D di 10 bit.
Detto questo, un passo ulteriore è rappresentato dalla serie di sensori d’immagine CMOS IM-001, dotati di risoluzione VGA;
questi prodotti sono stati specificamente progettati per le applicazioni automotive. I loro pixel sono costituiti da fotodiodi che
TM
offrono un range dinamico fino a 120 dB. Commercializzati col marchio Autobrite , questi sensori sono utilizzati nel modulo
telecamera ACM 100 per applicazioni automotive – la prima soluzione totalmente integrata di questo tipo. Questi prodotti di
visione sono considerati dei componenti chiave per i sistemi di sicurezza del futuro legati alla protezione del conducente,
all’anticollisione, alla visione notturna e alla guida assistita. La figura 3 riporta un’immagine ripresa con questa telecamera a
corredo di un retrovisore funzione di riconoscimento dell’angolo cieco. Mentre i ricettori lineari nasconderebbero dietro
un’aureola di luce un veicolo in rapido avvicinamento che transita nella corsia di sorpasso all’ingresso di un tunnel, nel nostro
esempio - grazie al range dinamico del sensore Autobrite - il veicolo è chiaramente visibile e il conducente è rapidamente
allertato del pericolo imminente.
Figura 3 - Grazie a un range dinamico di 120 dB è possibile eliminare l’angolo cieco in condizioni di luce non
favorevoli, assicurando maggiore sicurezza nella guida
a. videocamera tradizionale
TM
b. modulo videocamera ACM 100, basato su tecnologia Autobrite
Anche l’infrarosso mostra i suoi colori
Un importante trend nei moderni sensori d’immagine CMOS è l’estensione della loro sensibilità spettrale all’area NIR (near
infrared), a lunghezze d’onda di circa 1,100 nm. Le applicazioni automotive equipaggiate con il sensore IM-001 possono
migliorare le loro capacità di penetrazione della nebbia e di visione notturna. Alle applicazioni di cattura immagini per sistemi
industriali – dove si stanno iniziando ad adottare fonti luminose nello spettro NIR (ma anche la biotecnologia sta
sperimentando interessanti fenomeni in quest’area dello spettro) - il nuovo sensore IBIS 5-AE-1300 garantisce una sensibilità
NIR tra 700 e 900 nm (Fig. 4). Questo livello è stato raggiunto costruendo il sensore su uno strato epitassiale di silicio più
spesso. Una sensibilità spettrale ancora più uniforme può essere ottenuta utilizzando più strati EPI con concentrazioni di silicio
p- decrescenti verso l’alto. Un esempio è il sensore d’immagine CMOS resistente alle radiazioni della serie STAR.
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Figura 4 - Il range spettrale dei sensori d’immagine CMOS è ora esteso anche all’area near infrared (NIR), una zona
sempre più interessante per l’image processing industriale, le bio-tecnologie e il supporto alla guida notturna.
Perché i portatili possano lavorare più a lungo
Per fare funzionare gli apparati portatili – con capacità di batteria limitata – in modo economico e indipendente dalle specifiche
di potenza è necessario ricorrere a componenti e sottisistemi a basso consumo. Qui, la tecnologia CMOS – nota per i suoi
consumi contenuti – offre un chiaro vantaggio. I sensori d’immagine CMOS possono essere alimentati con tensioni da 5 o
3.3V. I chip CCD richiedono invece tensioni intorno ai 12V; ciò implica l’uso di un converter, con conseguenti perdite di
potenza. L’integrazione delle funzioni di controllo di sistema nel sensore CMOS può rappresentare un altro importante
vantaggio: ciò permette infatti di eliminare tutte le connessioni esterne con gli altri componenti a semiconduttore del sistema.
Tale approccio consente anche di eliminare i relativi driver energivori, in quanto le comunicazioni all’intero del chip avvengono
a livelli di energia molto più bassi di quanto richiesto a livello di PCB o di substrato.
Il trend verso una maggiore risoluzione
Un ulteriore trend che riguarda le applicazioni consumer è la migrazione verso risoluzioni sempre maggiori. A metà 2005, circa
il 70% delle fotocamere per telefoni cellulari prevedeva risoluzioni in formato VGA (640 x 480 pixel); nel 2006 la quota dei
sensori multi-megapixel ha raggiunto il 50 % circa e nel 2008 salirà a più del 90%. Per questo motivo, Cypress ha sviluppato
un sensore da 3-megapixel destinato alle fotocamere dei telefoni cellulari. Il sensore è realizzato in tecnologia Autobrite con
conversione analogico/digitale a 12-bit e con range dinamico di 72 dB (rispetto ai 60 dB/10-bit attualmente disponibili sul
mercato). Grazie a un’elevata velocità di trama (30/s) in modalità progressiva è possibile registrare anche dei video.
Lo stesso trend è visibile anche nei settori industriale e commerciale. Cypress sta già consegnando un sensore da 13megapixel/35mm per le fotocamere digitali Kodak mentre il sensore da 6.6-megapixel IBIS 4-6600 sta dando prova di sé
all’interdo di un assistente automatico per persone con problemi di vista.
Integrazione di sistema favorita dalla tecnologia
L’accelerazione della convergenza di funzionalità tradizionalmente separate – relative per esempio a telefoni cellulari,
fotocamere, riproduttori MP3 e
PDA (Personal Digital Assistant) – sta favorendo l’aumento della domanda di sottosistemi almeno parzialmente autonomi ma
capaci di assicurare un vasto spettro di funzioni nell’ambito di una sezione di un apparato. Questo trend interesserà anche la
tecnologia delle misure professionali: la disponibilità di strumenti di ispezione portatili contenenti una flessibile fotocamera
digitale e un’interfaccia utente PDA e dotati di capacità di networking WLAN (wireless local area network) permetterà di
ampliare la portata del testing ottico. La piattaforma tecnologica CMOS sta seguendo questo trend: al contrario dei convertitori
d’immagine CCD – che necessitano di una logica esterna per il controllo e la conversione analogico/digitale - le logiche
standard CMOS sono in grado di integrare in un unico chip sensore, controlli, converter e circuiti di valutazione. Un tipico
esempio è il chip CYIWCSC1300AA destinato alle applicazioni consumer più esigenti. Il dispositivo è basato su un sensore
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d’immagine da 1.3 Megapixel CYIWOSC1300AA ed è dotato di un processore per segnali aggiuntivo che gestisce – tra l’altro
– le funzioni di interpolazione d’errore, di regolazione livello del nero, di correzione lente, di correzione cross-signal,
d’interpolazione del mosaico di colore, d’esposizione automatica, di soppressione rumore, degli effetti speciali e della
correzione di gamma. L’integrazione di altre funzioni di sistema – fino a rendere il tutto un sistema di rilevamento
optoelettronico completo – sarebbe ancora possibile: ciò dipende principalmente dagli obiettivi e dai vincoli di progetto, quali per esempio i volumi di mercato e i costi si sviluppo.
Sensori adattati a tre segmenti applicativi
Il portafoglio Cypress prevede tre famiglie di sensori d’immagine CMOS; le loro proprietà sono tagliate sulle esigenze di tre
importanti segmenti di mercato: consumer, industriale e automotive (Tabella 1).
Secondo John Morse, Senior Market Analyst per IMS Research: "Il mercato dell’image processing industriale sta cambiando
molto rapidamente non solo dal punto di vista tecnologico ma anche sotto la spinta delle fusioni tra costruttori avvenute nel
recente passato. Prevediamo che questo trend continuerà."
Questa analisi è vera e vale anche per Cypress: attraverso l’acquisizione di SMal Camera Technologies, fondata nel 1999 dal
MIT (Massachusetts Institute of Technology), Cypress ha completato il suo spettro nei segmenti
consumer e automotive, mentre l’acquisizione di FillFactory, spin-out (1999) del rinnovato centro europeo della
microelettronica e le nanotecnologie IMEC di Leuven, Belgium, ha permesso alla società di entrare nel segmento industriale.
Conclusioni
Il mercato dei sensori d’immagine CMOS ha intrapreso una strada di sviluppo molto dinamico verso i mercati di massa.
Questo settore è ancora molto legato ai progetti customer-specific realizzati per soddisfare set personalizzati di caratteristiche
in termini di prestazioni e d’intergrazione di sistema. Sempre più spesso però si assiste a una migrazione verso soluzioni
standard di crescente flessibilità. Parallelamente crescono le risoluzioni, le velocità di trama e i livelli di sensibilità, mentre la
riduzione dei costi qualifica i sensori per campi d’impiego sempre più vasti.
Tabella 1 - Panoramica delle famiglie di sensori d’immagine CMOS di Cypress
Serie
Proprietà
Applicazioni Consumer
CYWOSC
1.3
Megapixel,
cost-optimized,
1300AA
aggiornamento per applicazioni VGA
CYWOSC
3 Megapixel, analog binning in
3000AA
direzione X- e Y- per il miglioramento
dell’immagine, alta dinamica, capacità
real-time video grazie all’elevata
velocità di trama
Image processing industriale
IBIS
Integra sensore a pixel attivo con
fattore di riempimento potenziato,
basso livello di rumore, elevata qualità
d’immagine
STAR
Resistente alle radiazioni, sensore a
pixel attivo
LUPA
Registratore immagini ultra veloce con
vero otturatore sincrono
CustomerElettronica di valutazione integrata
specific
ultraminiaturizzata
Applicazioni automotive
IM-100
Risoluzione VGA, ampio range
dinamico (fino a 120 dB), sensibilità
spettrale estesa al near infrared
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Range applicativo
Fotocamere cellulari, webcam, applicazioni
consumer universali
Fotocamere cellulari di ultima generazione,
per registrazione video
Image processing industriale, fotografia
digitale
Esplorazione spaziale legata per esempio al
tracciamento di stelle e aerei, sensori solari
e monitoraggio visivo veicoli spaziali
Videocamere ad alta velocità
"Camera in a pill" per
sottosistemi industriali compatti
endoscopia,
Soluzioni di sicurezza per protezione del
conducente, per l’anticollisione, per la
visione notturna e per la guida
automatica
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