É noto che i sensori di piccole dimensioni, al salire della risoluzione, vanno incontro a problemi di restringimento della gamma dinamica e di aumento del rumore. Questo avviene a causa del rimpicciolimento dei singoli pixel, sommato all'avvicinamento degli stessi, per metterne, ad esempio, 5 milioni su una superficie che prima ne ospitava 3,2 milioni.
La riduzione delle dimensioni dei singoli pixel riduce l'area sensibile e quindi anche la sua capacità di captare fotoni. Questo porta al bisogno di elevare l'amplificazione elettronica, azione che porta di conseguenza a un aumento del rumore. Rumore che è favorito anche dall'accresciuta vicinanza tra i pixel, che porta a una diminuzione dello strato isolante che li divide, aumentando la probabilità che un singolo elemento sensibile sia 'disturbato' da quelli che lo circondano. Attualmente i sensori per moduli fotocamera ad elevata risoluzione per cellulari adottano elementi sensibili delle dimensioni di circa 1,75 micron.
I risultati sono sotto gli occhi di tutti: soprattutto in condizioni di scarsa illuminazione i cellulari (o le fotocamere con sensori particolarmente ridotti) non restituiscono foto di qualità soddisfacente. Il processo di miniaturizzazione è in ogni caso una realtà del mondo dell'elettronica da cui non si può prescindere e quindi i produttori sono sempre alla ricerca di nuove tecnologie per soddisfare i consumatori venendo incontro anche alle esigenze dei costruttori di dispositivi, per cui miniaturizzazione spesso significa anche risparmio in fase di produzione.
Kodak, pioniere nella costruzione di sensori digitali, è un'azienda molto attiva in questo campo, come ci è già capitato di dire in qualche occasione. Il nuovo sensore KAC05020, che adotta il formato 1/4", offre 5 megapixel di risoluzione con elementi sensibili da 1,4 micron, è il frutto dell'unione di diverse tecnologie, sperimentate da Kodak negli ultimi anni .
Il filtro Bayer e i nuovi Kodak a confronto
In particolare il nuovo sensore, contraddistinto da un'elevata scalabilità, unisce due tecnologie: il nuovo filtro Hi ISO Clear Pixel, che sostituisce il classico Bayer, e quella che viene definita pMOS Hole Detector.
Come viene ricostruita l'immagine dai dati del sensore
Nel primo caso il filtro che è posto di davanti al sensore per la divisione della luce nelle sue componenti colorate adotta uno schema diverso dal classico RGB, che ogni quattro elementi sensibili vede la presenza di due pixel verdi, uno rosso e uno blu. Alcuni dei pixel nella soluzione Kodak vengono sostituiti da elementi trasparenti, in grado di fornire solo il dato di luminanza, ma capaci di lasciar passare molta più luce degli elementi che filtrano i colori. In condizioni di scarsa illuminazione questo schema permette, sacrificando parte della saturazione dei colori, di sfruttare meglio i pochi fotoni a disposizione.
Il sensore Kodak KAC05020
L'altra tecnologia permette di sfruttare gli attuali processi di produzione di sensori CMOS, introducendo però un cambio sostanziale del modo di operare di questi ultimi. Invertendo la polarità di funzionamento i sensori, che solitamente vanno a rilevare gli elettroni prodotti dall'incidenza dei fotoni sulla superficie sensibile, i pixel vengono trasformati in rilevatori di vacanze, le cariche positive che si originano quando un elettrone viene promosso nella banda di conduzione dall'assorbimento della radiazione luminosa.
Questa modifica sfrutta alcuni vantaggi del processo di rilevazione delle vacanze. Queste ultime infatti soffrono meno di fenomeni di diffusione tra pixel, permettendo di utilizzare strati di isolante ridotti e quindi avvicinare spazialmente i singoli elementi sensibili. Inoltre anche il rumore termico dovrebbe abbattersi in maniera consistente, permettendo migliori lunghe esposizioni. Per rumore termico casuale si intende la probabilità che un elettrone venga eccitato dal calore presente nell'elemento sensibile, andando incontro a una promozione in banda di conduzione anche senza l'assorbimento di un fotone, originando nell'immagine punti luminosi casuali.
Un sensore normale e il nuovo Kodak alla prova
I primi sensori Kodak KAC05020 sono già in sperimentazione presso i
produttori di moduli fotocamera e noi, al Mobile World Congress, abbiamo avuto
l'occasione di vederne alcuni sample all'opera. Se in condizioni di forte
illuminazione le prestazioni sono paragonabili ai prodotti attualmente in
vendita, il nuovo sensore Kodak quando cala il buio sa tirare fuori le unghie, riuscendo a produrre immagini anche quando la
luce è quasi assente. La produzione in volumi dei dispositivi dovrebbe iniziare
verso la fine dell'anno, è quindi probabile che vedremo i primi dispositivi
adottare questo sensore da 5 megapixel sui cellulari dell'inizio del 2009.
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