Sensori CCD vs CMOS

by / domenica, 09 dicembre 2018 / Published in Alta Fotografia, Fotografia, Il blog

 

SENSORI di IMMAGINI: sensori CCD vs CMOS

 

 

Nella prima parte di questa serie di articoli abbiamo analizzato i sensori di tipo CCD (Charge Coupled Device, traducibile in italiano DAC, dispositivo ad accoppiamento di carica). I sensori CCD si basano sull’accumulo per ogni singolo pixel di una carica elettrica proporzionale all’informazione luminosa che raggiunge il sensore di immagine.

Successivamente abbiamo analizzato i sensori CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), che sono basati su un tipo di tecnologia utilizzata in elettronica per la realizzazione di circuiti integrati a larga scala di integrazione.

In questo articolo concludiamo con un confronto tra le due tecnologie utilizzate per i sensori di immagine.

I primi sensori ad essere costruiti sono stati i sensori CCD. Come detto in questo tipo di sensore la carica elettrica proporzionale alla luce incidente sul di esso viene trasferita al circuito di memorizzazione per singole righe. Successivamente la carica è elaborata per ottenere una differenza di potenziale che viene memorizzata come segnale digitale. Nel caso del CMOS ogni singolo fotodiodo, che possiede un proprio convertitore A/D, genera direttamente un segnale digitale. Nella tabella sono messi a confronto alcuni parametri per i due sistemi a parità di risorse utilizzate.

CONFRONTO TRA I SENSORI NELLE DUE TECNOLOGIE

CCD

CMOS

Uscita del fotodiodo Carica elettrica Tensione
Uscita del chip tensione (analogica) Bit (digitale)
Uscita della fotocamera Bit (digitale) Bit (digitale)
Complessità del sensore Bassa Alta
Consumo energetico Medio Basso
Surriscaldamento e rumore termico Medio Basso
Presenza di rumore Bassa Moderata
Velocità di scatto Da moderata a alta Alta
Costo Da medio a alto Da medio a basso

Qualità dell’immagine

migliore

Gamma dinamica Ampia Moderata
Uniformità

Alta

Da bassa a moderata
Precisione cromatica Alta Media

Analizziamo le differenze sostanziali tra i due tipi di sensori.

Il sensore CCD possiamo pensarlo costruttivamente come l’unione di due blocchi funzionali: i filtri sensibili ai diversi colori primari e la matrice di pixel. Nei sensori CMOS oltre ai detti blocchi troveremo il blocco della conversione del segnale da analogico a digitale (una figura che descrive i due sensori è stata pubblicata con i precedenti articoli). Come diretta conseguenza della costruzione circuitale avremo che i sensori CCD saranno costruiti in modo più semplice.

CONSUMO ENERGETICO: il sensore CMOS, per come viene realizzato, ha un consumo energetico inferiore rispetto ad un equivalente CCD: in figura 1 viene riportato il confronto energetico.

Esso è stato fatto per dei sensori di 11 megapixel per i vari formati che sono presenti sul mercato. La prima parte del grafico è con la scala compressa per passare dal formato di un sensore da 1/1,8 pollici (7,2*5,3 mm) al formato APS-C (23,7*15,7 mm) fino al formato Full Frame (36,0*24,0 mm). Il consumo dei CCD è di poco superiore per dimensioni piccole ed aumenta sempre di più al crescere della dimensione.

Il minor consumo energetico è facilmente spiegato dal fatto che trasferire una tensione (CMOS) richiede poca potenza. Al contrario il trasferimento di una carica elettrica (CCD) necessita di più potenza per spostare la massa con la sua carica associata. Inoltre, a parità di elementi fotosensibili nel CMOS, al variare della sua dimensione non varia il consumo. Nel caso del CCD ad un aumento della dimensione corrisponde un aumento del numero di elettroni da spostare e quindi aumenta il consumo energetico necessario al trasferimento.

Consumando più energia i CCD risentono maggiormente di fenomeni di surriscaldamento, se il calore non è opportunamente smaltito, si possono presentare vari inconvenienti. Un inconveniente che non si può eliminare è il maggiore rumore termico nei circuiti.

VELOCITA’ DI SCATTO: i sensori CMOS sono più veloci e permettono di scattare foto con una maggiore velocità, è possibile scattare un numero maggiore di foto in sequenza nella stessa unità di tempo. I sensori CCD devono trasferire tutti i dati acquisiti dai singoli pixel verso il convertitore analogico digitale e successivamente verso l’amplificatore prima di poter iniziare l’acquisizione di una nuova immagine. L’amplificatore ed il trasformatore devono lavorare su una grossa mole di dati e questo ne abbassa la velocità. Nei sensori CMOS sono presenti un convertitore ed un amplificatore per ogni pixel. In questo modo i CMOS sono decisamente più efficienti se consideriamo la velocità con cui riescono ad acquisire una singola immagine, ogni riga dei fotodiodi può essere elaborata separatamente in quanto l’immagine è già pronta. I due metodi di acquisizione sono stati riuniti nella figura 2.

VELOCITA’ DELL’OTTURATORE: i due tipi di sensori presentano dei risultati equivalenti anche se raggiunti in modi del tutto differenti. Il problema è legato alla velocità di trasferimento delle immagini dal fotodiodo. Durante il trasferimento dell’immagine acquisita la luce continua a colpire i fotodiodi aumentandone quindi la carica elettrica. Il risultato è un tempo di esposizione “variabile” e non strettamente legato all’informazione luminosa catturata. Se la scena da acquisire è in movimento l’immagine finale risulterà mossa. Per risolvere questo problema i CCD sono stati dotati di tecnologia ILT. Vengono creati dei canali di trasferimento, una sorta di fotodiodo sempre schermato dalla luce, dove il fotodiodo illuminato trasmette istantaneamente la carica elettrica al suo vicino schermato che si occuperà del vero e proprio trasferimento. In questo modo non essendo più colpito dalla luce avremo che la carica elettrica rimarrà costante. Lo svantaggio è la riduzione dell’area fotosensibile in quanto ogni pixel è diviso a metà: metà area esposta alla luce e metà schermata per il trasferimento.

Nei CMOS lo stesso il problema, che la maggiore velocità di trasferimento rende in partenza meno rilevante, è stato affrontato introducendo un transistor di controllo per ogni pixel tra il fotodiodo e il convertitore A/D. Ogni pixel ha tre transistor: questo permette di massimizzare l’area esposta alla luce ma crea di contro l’effetto classico del rolling shutter che si presenta in alcune foto; ad esempio in figura 3 e 4.

Notiamo che per ridurre le perdite legate alle zone “non illuminate” entrambe le tecnologie montano delle microlenti prima della superficie del sensore per concentrare la luce solo nella parte sensibile.

Nel processo di acquisizione dell’immagine la luce è concentrata dall’obbiettivo e attraverso l’otturatore, che può essere sia meccanico che elettronico, viene catturata per il tempo necessario a “fissare” l’immaggine sul sensore (ovviamente la singola immagine viene poi registrata per la riproduzione finale). Nel “global shutter” la scansione dell’immagine è effettuata tutta nello stesso intervallo di tempo al contrario il rolling shutter è un metodo di acquisizione delle immagini dove il singolo fotogramma è acquisito non in una sola scansione ma la scansione avviene in tappe separate o orizzontalmente o verticalmente. In questo modo vengono però prodotte delle distorsioni quando vengono ripresi oggetti in rapido movimento o quando il sensore cattura dei rapidi lampi di luce.

Il metodo del rolling shutter è implementato mediante l’esposizione parziale dell’otturatore su parte dell’immagine fino a ricomporre poi tutta l’immagine. Il vantaggio di questo metodo consiste nel fatto che il sensore di immagine può continuare a raccogliere fotoni durante il processo di acquisizione così da riuscire ad aumentare la sensibilità del sensore.

Questa metodologia si trova su molte fotocamere, sia analogiche che digitali. Quasi tutte le reflex utilizzano questo metodo con i tempi di posa alti. Inoltre il metodo è molto utilizzato nelle videocamere con sensori CMOS, possiamo affermare che con le cineprese gli effetti si possono evidenziare in modo più marcato.

Analizzando le offerte del mercato vediamo che alcuni sensori CMOS utilizzano la tecnologia del global shutter mentre la maggioranza , specie nel settore delle fotocamere di fascia bassa del mercato utilizza il rolling shutter. Nel caso dei sensori CCD viene utilizzano solo il global shutter, cioè un singolo fotogramma viene acquisito in un singolo intervallo di tempo; possiamo quindi concludere che questo tipo di sensore non soffre di questi inconvenienti di movimento.

Analizziamo in maggior dettaglio i vari fenomeni che possono presentarsi nel caso del rolling shutter:

Wobble (traballante) – Questo fenomeno, noto come effetto jello (gelatina), è comune negli scatti a mano libera utilizzando un teleobiettivo e si presenta se la fotocamera subisce delle vibrazioni, come quando è attaccata su un veicolo in movimento; il fenomeno si presenta come una immaggine traballante e innaturale.

Skew (inclinato) – L’immagine piega diagonalmente in una direzione o nell’altra come se la fotocamera o il soggetto si trovasse in movimento. E’ un fenomeno legato ai diversi tempi di esposizione per parti differenti della stessa immagine.

Smear (spalmato) – Questo effetto può essere visto facilmente con una fotocamera del cellulare e un ventilatore. La distorsione di ciascuna pala è causata dalla rotazione dell’elica che avviene con una velocità simile a quella della rotazione in atto. Le lame su un lato appaiono più sottili della realtà mentre le lame sul lato opposto appaiono più grandi; in particolari condizioni le pali possono apparire come se non fossero collegate al centro dell’elica.

Partial Exposure (esposizione parziale) – Questo effetto è spesso legato all’uso del flash con la fotocamera con tempi di esposizione rapidi. Una parte dell’immagine, normalmente il terzo superiore, risulta correttamente illuminata dal flash mentre la restante parte risulta scura e non illuminata in modo corretto. Dei problemi analoghi si possono presentare con le luci di emergenza di un veicolo se il lampeggio si verifica con una velocità elevata rispetto al tempo di acquisizione.
Aliasing spaziale e temporale – Gli effetti del rolling shutter possono risultare dannosi per le riprese. Il processo di controllo di una ripresa si basa sulla prospettiva di una scena fissato su un singolo punto nel tempo, si creano dei problemi quando troviamo più punti con tempi diversi all’interno dello stesso frame. I risultati finali dipendono dalla velocità di lettura del sensore e dalla natura della scena filmata. In generale, le cineprese di fascia alta avranno velocità di lettura più elevate e quindi meno inconvenienti rispetto a quelle di fascia bassa.

Per mostrare il fenomeno riportiamo la foto scattata utilizzando una fotocamera EOS 6D che permette di fare anche dei filmati ed un cavalletto con la testina che può ruotare velocemente. In figura 5 si vede la foto scattata in condizioni standard. La figura 6 ci rappresenta, in modo schematico, come il sensore acquisisce l’immagine durante il rolling shutter (skew). La figura 7 è il fermo immagine della ripresa fatta con le stesse condizione di luce ma ruotando velocemente la fotocamera sul cavalletto per enfatizzare l’effetto. La parte superiore è scattata ruotando verso destra e quella inferiore ruotando verso sinistra. Possiamo notare che l’effetto e legato alle diverse velocità con cui viene ruotata la fotocamera.

figura 5
figura 6
figura 7

COSTO

I costi dei CCD, a parità di prestazioni, sono superiori ai costi dei CMOS. I centri sviluppo hanno continuato a migliorare in parallelo le due tecnologie. Per i CMOS hanno puntato sulla qualità dell’immagine, per i CCD sul contenimento dei consumi. Il mercato utilizza entrambi i due sensori su tutte le fotocamere. Inizialmente i sensori CMOS erano più utilizzati sulle fotocamere compatte e i sensori CCD su apparecchiature professionali. Attualmente i dorsi digitali usano il CCD come sensore quasi in esclusiva per la migliore resa cromatica (recentemente sono stati lanciati sul mercato dei dorsi CMOS).

ARTEFATTI LUMINOSI
In alcuni casi può accadere che da una fonte molto luminosa si generi un’intera colonna di pixel bianchi. In pratica gli elettroni in eccesso su di un fotodiodo si espandono a tutti gli elementi vicini generando una colonna luminosa (accade di meno per le righe essendoci di lato ad ogni fotodiodo il suo omologo per il trasferimento). Questo effetto è tipico del CCD e non è presente nei CMOS dove tra i vari fotodiodi troviamo la presenza di altri circuiti elettronici.

SCARSA ILLUMINAZIONE
Nelle condizioni di scarsa illuminazione, cioè quando è necessario che l’informazione sia amplificata al massimo possibile, i sensori CCD generano una risposta dei pixel più uniforme rispetto a quelli CMOS. Gli amplificatori del singolo pixel del tipo CMOS generano valori di illuminazione e rumore poco uniformi. Quelli dei sensori CCD, dove le informazioni di tutti i fotodiodi sono amplificate dallo stesso blocco, hanno una variazione dei valori per i pixel più debole e l’immagine finale sarà più uniforme ed omogenea.
In condizioni di luce fioca avremo che il segnale all’uscita del circuito di rilevamento è vicino al livello di rumore di base del sensore. I singoli amplificatori dei sensori CMOS hanno una larghezza di banda minore di quella presentata dall’amplificatore a banda larga usato per i sensori CCD, in questo caso il segnale è amplificato in modo omogeneo per una serie di pixel.

Gli amplificatori dei sensori CMOS possono acquisire una tensione maggiore prima di superare la soglia del rumore termico ed in questo modo presentano un rapporto Segnale/Rumore maggiore. Per questo motivo potrebbe sembrare che la loro sensibilità sia più elevata dei sensori CDD, in questi ultimi però è migliore l’operazione di amplificazione del segnale ed inoltre avremo una sensibilità cromatica superiore. Come ultimo parametro possiamo dire che i sensori CCD hanno una maggiore copertura della superficie fotosensibile rispetto all’area complessiva del sensore, cioè ogni pixel cattura più luce e genera una carica elettrica maggiore.

I sensori CCD hanno anche un ulteriore grandissimo vantaggio: il pixel binning. E’ possibile “unire” quattro fotodiodi adiacenti per aumentarne la sensibilità. Questo metodo presenta una riduzione di risoluzione ma i risultati finali sono eccellenti. Un sensore CCD con il pixel binning attivo può fare foto con una luminosità ambientale decisamente minore di quella necessaria a un tradizionale CCD o ad un CMOS. Questa costosa tecnologia è impiegata nei dorsi digitali ed in particolare è stata sviluppata ad altissimi livelli di efficienza da Phase One, proprietaria del brevetto per la tecnologia Sensor+ utilizzata nei dorsi digitali P40+ e P65+. Riportiamo il metodo in Figura 8.

Il pixel binning è utilizzato per aumentare efficacemente la dimensione del pixel e di conseguenza la sensibilità. Questo meccanismo avviene manipolando il trasferimento della carica. Quando la luce incide sulla superficie del sensore CCD la carica si accumula in corrispondenza di ogni pixel e completata l’esposizione la carica deve essere trasferita a una singola uscita per la digitalizzazione. Ciò si realizza in due fasi. Inizialmente l’intera riga è trasferita nella direzione verticale al registro orizzontale ed inoltre l’informazione di un pixel è sommata al suo adiacente. In secondo luogo, la carica viene trasferita orizzontalmente nel registro verso l’amplificatore di uscita e nuovamente l’informazione di un pixel è sommata al suo adiacente (in figura 8 l’operazione è rappresentata in sequenza dalla fase B alla fase F). Pixel binning 1×1 significa che i singoli pixel vengono utilizzati così come sono. Pixel binning 2×2 significa che 4 pixel adiacenti sono stati combinati in un unico pixel più grande. In questo caso la sensibilità alla luce è stata aumentata di 4 volte (il contributo di quattro pixel), ma la risoluzione dell’immagine è stata ridotta della metà.

In conclusione possiamo affermare che per i settori dove l’acquisizione avviene in condizioni di bassa luminosità, ad esempio in campi come l’astronomia o la medicina (lettura di raggi X), usano quasi esclusivamente i sensori di tipo CCD. I sensori CMOS sono ampiamente utilizzati nel settore della fotografia amatoriale grazie al loro basso costo.

 

FRANCESCO

questo articolo è stato pubblicato sulla rivista FOTOGRAFARE 5 (Maggio) del 2014 nella rubrica di ALTA FOTOGRAFIA.

P.S. Visto il tempo trascorso dalla pubblicazione va precisato che l’impianto tecnico dell’articolo è sempre valido ma risulteranno poco attendibili le eventuali ricerche di mercato o le scansioni temporali dei prodotti fotografici citati nel medesimo.

 

 

 

 

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