Sensori CMOS

by / venerdì, 23 novembre 2018 / Published in Alta Fotografia, Fotografia, Il blog

 

SENSORI di IMMAGINI parte seconda:

i sensori CMOS

La tecnologia che ha trasformato la fotografia analogica in quella digitale

 

 

Come è stato detto nel precedente articolo (vedere la rivista pubblicata nel mese di febbraio) il sensore di immagine o sensore ottico di una fotocamera digitale è il dispositivo elettronico che converte l’immagine catturata attraverso un obbiettivo in un segnale elettrico. La cattura avviene in base alla focalizzazione dell’immagine sul sensore piano che prende l’informazione per ciascun pixel (singolo punto del sensore) e successivamente l’immagine viene opportunamente immagazzinata.

Ricordiamo che le principali caratteristiche del sensore sono: la tecnologia utilizzata, la registrazione delle immagini in bianco e nero o a colori, la risoluzione, la sensibilità alla luce.

I principali tipi di sensori di immagini sono i CCD e i CMOS.

Dei CCD e delle caratteristiche in generale dei sensori abbiamo parlato nel numero precedente in questo analizzeremo le caratteristiche dei sensori CMOS.

Per poter descrivere i CMOS dobbiamo prima ricordare il componente elettronico “Transistor”, dal latino transfer resistor cioè trasformatore di resistenza. Questo componente digitale ci permette di realizzare dei circuiti che realizzano degli interruttori molto veloci. I singoli circuiti vengono realizzati con complicati processi tecnologici su un piccolo strato di materiale semiconduttore (silicio) detto wafer (figura 1 – il wafer nella foto non è un circuito per la fotocamere ma è usato come esempio). Questa tecnologia permette di costruire contemporaneamente un grande numero di circuiti con il conseguente abbattimento dei costi.

 

 

Collegando mediante dei reofori il wafer ad un opportuno contenitore avremo realizzato il circuito (figura 2). Con questa tecnologia si può ottenere in un unico chip contemporaneamente il sensore e l’elaboratore di immagini di una fotocamera.

 

 

Il CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor (Field Effect Transistor)), è un tipo di tecnologia utilizzata in elettronica per la realizzazione di circuiti integrati a larga scala di integrazione. Il circuito base dei circuiti integrati è l’invertitore a transistor MOSFET. Si tratta di una struttura circuitale costituita dalla serie di una rete di “Pull-Up” (tira Su) ed una di “Pull-Down” (tira Giù): la prima implementa il livello logico alto mentre la seconda implementa il livello logico basso. La rete di Pull-Up è costituita di soli P-MOS, ovvero transistor metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET) a effetto di campo che si “accendono” solo se la tensione presente al loro gate (misurata rispetto al loro source) è minore della loro tensione di soglia. Inversamente la rete di Pull-Down è costituita di soli N-MOS, ovvero MOSFET che si accendono solo se la tensione presente al loro Gate (misurata rispetto al loro source) è maggiore della loro tensione di soglia come indicato in figura 3.

Se mettiamo in ingresso un segnale al livello logico “alto” il P-MOS si comporta come un circuito aperto mentre il N-MOS si comporta come un corto circuito. L’uscita viene prelevata dal punto centrale del circuito che si trova al potenziale zero. Possiamo sintetizzare dicendo che se mettiamo un segnale al livello alto otteniamo in uscita un livello basso e viceversa; in questo modo abbiamo realizzato un circuito invertitore. Partendo da questo semplice circuito possiamo costruire circuiti più complessi che ci permettono di memorizzare un dato (registro) oppure dei più completi circuiti integrati come il sensore di immagine o l’elaboratore stesso.

Uno dei principali vantaggi della logica CMOS è di avere una potenza statica dissipata molto bassa anzi idealmente nulla. Questa caratteristica è dovuta alla complementarità dei due dispositivi di Pull-Down (N-MOS) e di Pull-Up (P-MOS). Quando è acceso il Pull-Up è spento il Pull-Down, e viceversa; in questo modo uno dei due dispositivi si comporta come un circuito aperto e la corrente che circola in tutto il dispositivo è nulla. In realtà ci sono piccole correnti di perdita (dovute alla carica e scarica delle capacità parassite, alla corrente di cortocircuito durante la commutazione di stato, e per perdite varie) che in molti casi possiamo trascurare.

La scelta dell’acquisto di una fotocamera dipende da tantissimi fattori, spesso legati ad aspetti personali o tradizionali, ma come detto nella scelta bisognerebbe non tanto badare al numero dei megapixel dichiarati per il sensore ma alla sua dimensione fisica. Più grandi sono le dimensioni del sensore e maggiore saranno le informazioni che il sensore cattura e di conseguenza avremo una risoluzione delle immagini migliore.

Strettamente collegato al sensore di immagine (nella figura 4 sono anche evidenziati gli elementi costruttivi che sono spesso associati al sensore: il filtro passa basso per ridurre il rumore prodotto dai vari processi, il vetrino per eliminare le frequenze luminose che possono creare interferenza nella scena ripresa) è il processore di immagini della fotocamera. Se si utilizzano i CCD la conversione del segnale avviene in un chip dedicato esterno al sensore. Nel caso dei CMOS i due circuiti sono spesso inseriti in un unico circuito integrato visto chè la tecnologia utilizzata è la stessa per tutti i singoli elementi.

Come vediamo nella figura 5 il segnale di uscita del sensore CCD, che contiene già tutte le informazioni necessarie, può essere direttamente memorizzato sull’opportuno supporto (immagini di tipo RAW). Il segnale che invece esce dal sensore CMOS, che manca di alcune componenti cromatiche, deve passare attraverso il processore per poter essere interpolato ed infine memorizzato.

Le principali caratteristiche del sensore di immagini sono:

a) La gamma dinamica. Questo parametro indica l’ampiezza dell’intervallo di luminosità che si può registrare prima che l’elemento fotosensibile vada in saturazione.

b) Il numero di pixel. L’elevata quantità di elementi fotosensibili garantisce un elevato dettaglio di immagine, ma aumentano i problemi di velocità nel trasferimento dei dati al processore d’immagine. Maggiore è la risoluzione e maggiore sarà il numero di pixel, di conseguenza maggiore sarà la quantità di dati da trasferire. A parità di velocità di trasmissione il tempo necessario a trasferire i dati al processore d’immagine sarà più lungo quando il sensore ha dimensioni maggiori. Sono stati studiati dei sensori con diversi bus dati di uscita per trasmettere in parallelo, quindi più velocemente, i dati acquisiti verso il processore della fotocamera. Alcune case costruttrici hanno minimizzato il problema utilizzando più processori contemporaneamente.

c) Capacità di non trattenere ombre sul sensore relative a riprese precedenti. Questo problema si incontra prevalentemente nei sensori di tipo CMOS; i vari costruttori adottano le più diverse strategie per ottenere una sorta di cancellazione elettronica del sensore fra la ripresa di un’immagine e l’altra.

d) Capacità del sensore di non produrre alterazioni derivanti da interferenze, ad esempio l’effetto Moiré, fra i pixel in particolari condizioni di ripresa.

e) Dimensione fisica del sensore a parità di pixel (e quindi a parità di risoluzione). Se la dimensione fisica del sensore è elevata a parità di numero di pixel questo comporta ovviamente una maggiore dimensione fisica dei pixel. In questo modo si rende maggiormente sensibile il pixel al rapporto segnale/rumore. Sono stati prodotti sensori da 6 megapixel nel formato 4:3 con dimensione 1/2,7 pollici la cui diagonale ha un valore di 6,721 mm; mentre altri sensori da 6 megapixel hanno dimensioni 1/1,8 pollici quindi la diagonale ha un valore di 8,933 mm. Per il rapporto segnale rumore la qualità del sensore è normalmente maggiore nel sensore più grande.

Un ultimo parametro che bisogna considerare è l’interpolazione. Questo parametro va considerato in due modalità diverse. La prima utilizzata per generare dei pixel aggiuntivi a quelli catturati dal sensore serve per aumentare la risoluzione della fotocamera. Il procedimento non aggiunge informazione all’immagine ma consente di vederla a maggior ingrandimento.

La seconda è utilizzata per generare in ogni pixel le due componenti cromatiche mancanti, in questo caso si tratta di interpolazione cromatica.

Analizziamo quello che il mercato offre all’acquirente. Sono stati presi in considerazione i siti ufficiali di una dozzina tra i marchi principali dei costruttori di macchinette fotografiche e sono state cercate le caratteristiche dei sensori utilizzati dai vari marchi. La maggior parte di essi non dichiara nulla di più del tipo di sensore utilizzato (sono alcune volte vengono dichiarate le dimensioni fisiche del sensore).

Per le compatte (circa 200 modelli) abbiano che il 49 per cento dei prodotti utilizza la tecnologia CCD mentre il restante 51 per cento utilizza la tecnologia CMOS.

Per le fotocamere di tipo bridge (circa 20 modelli) abbiano che il 45 per cento dei prodotti utilizza la tecnologia CCD mentre il restante 55 per cento utilizza la tecnologia CMOS.

Per le fotocamere reflex (circa 80 modelli) abbiano che il 2 per cento dei prodotti utilizza la tecnologia CCD mentre il restante 98 per cento utilizza la tecnologia CMOS.

I risultati sono che sia per le fotocamere compatte che per quelle di tipo bridge le due tecnologie vengono utilizzate intorno al cinquanta per cento. Per le reflex la tecnologia più utilizzata e senza dubbio quella CMOS.

Solo tre costruttori dichiarano le caratteristiche dei sensori di immagini e quindi possiamo ricavare maggiori informazioni sulle specifiche adottate. L’Olympus ha chiamato il suo processore TruePic. A questo processore nel tempo si sono affiancate le versioni TruePic TURBO, e TruePic III (in questo processore è stata molto curata la riproduzione cromatica nei colori separando la luminanza e la cromaticità per avere una buona resa cromatica sia per la pelle umana che per il cielo. Inoltre è stata migliorata la velocità e sono stati enfatizzati i dettagli). Dopo questa versione si è passati dalla versione TruePic III+ alla più recente TruePic VI.

La Sony ha implementato la tecnologia Exmor . In questi processori sono stati inseriti anche i circuiti per la conversione del segnale da analogico a digitale ed è stata curata la riduzione del rumore in parallelo per aumentare la velocità.

La Canon ha chiamato il suo processore DIGIC (Digital Imaging Core). Il primo sistema sviluppato era composto da tre chip separati (un video-processore, un processore d’immagine ed un circuito integrato di controllo della fotocamera). Nel DIGIC II tutti i controlli sono stati riuniti in un unico chip. Sono stati migliorati il colore, la nitidezza, il bilanciamento del bianco e la velocità di scrittura dei dati nella memory card che è stata portata a 5,8 megabit/s. Tra le migliorie che sono state offerte dal DIGIC III troviamo una funzione di Face Detection che permette di trovare e seguire fino a 9 volti nell’inquadratura controllandone l’esposizione ed il flash per assicurare l’illuminazione più appropriata ai volti ed al resto dell’immagine. In questo modo si riducono gli effetti negativi dovuti alla sovraesposizione e ai visi oscurati. Inoltre è stata implementata la tecnologia iSAPS che utilizza un database interno per migliorare la velocità di messa a fuoco e l’accuratezza come pure l’esposizione ed il bilanciamento del bianco.

Alcune fotocamere sono state dotate di un doppio processore per aumentare la velocità degli scatti al secondo anche alla massima risoluzione delle immagini. Dopo questo processore la Canon ha introdotto una serie di processori dal DIGIC 4 al DIGIC 6 che sono serviti a migliorare: la riduzione del rumore agli alti ISO, le prestazioni durante il trattamento di immagini RAW, la registrazione video in alta risoluzione, la messa a fuoco con il “Live Face Detection” ed infine la massima velocità di scatto è stata portata a 12 foto al secondo in formato RAW+JPG. L’ammiraglia di Canon utilizza due processori DIGIC 5+. Il progetto Canon Hack Development Kit (CHDK) ha inoltre sviluppato un progetto open che si aggiunge, senza danneggiare o modificare, al firmware originale delle nuove funzionalità come: il supporto RAW; lo scatto remoto tramite USB; la fotografia attivata con rilevazione di movimento; lo scatto continuo (raffica), Tv, Av, ISO e bracketing sulla messa a fuoco (aumento della profondità di campo) personalizzabili; la rimozione dei limiti di ripresa video lo sblocco di limiti di tempo, apertura e ISO.

Sono stati inoltre presentate alcune varianti tecnologiche per cercare di migliorare taluni aspetti delle fotocamere ed in particolare: la Fujifilm a proposto il sensore in formato APS-C chiamato “X-Trans CMOS II”. Questo sensore utilizza degli elementi fotosensibili che sono posizionati con una diversa ripetizione nella matrice Bayer (l’elemento base non è formato da 4 pixel ma da sei pixel).

La Kodak a proposto il sensore BSI CMOS (Back Side Illumination (illuminazione sul lato posteriore) – Complementary Metal Oxide Semiconductor) contrariamente ai CMOS che hanno una struttura del tipo FSI (Front Side Illumination (illuminazione sul lato anteriore)), dove lo strato di silicio (lo strato fotosensibile) è posto in fondo alla struttura, mentre con la disposizione BSI lo strato di silicio è posto sopra gli strati metallici permettendo una maggiore sensibilità alla luce e per via della disposizione anche una maggiore fedeltà al colore (minori contaminazioni dei pixel adiacenti) con la conseguente possibilità di adoperare ottiche più compatte (figure 6 e 7).

figure 6 figure 7

La Sigma è al momento l’unica fotocamera che utilizza un sensore Foveon X3. Nei sensori che usano la matrice di Bayer si deve usare l’interpolazione cromatica per ricostruire l’immagine finale; i sensori Foveon usano tre strati di elementi fotosensibili, uno per ogni colore primario come venivano utilizzate le vecchie pellicole fotografiche a colori che erano composte da uno strato di emulsione per ogni colore. In questo modo la risoluzione del sensore è quella “vera” per l’immagine. Di contro aumenta il rumore digitale e si incontrano maggiori difficoltà alle alte sensibilità. In figura 8 vengono messe a confronto le strutture utilizzate: 1- pellicola fotografica, 2- sensore di tipo Foveon e 3- sensore di tipo CMOS.

figura 8

Nell’ultima parte faremo un confronto più dettagliato tra le due tecnologie utilizzate. Premettiamo che il mese scorso la Hasselblad ha comunicato il lancio sul mercato di un dorso digitale per le fotocamere di medio formato sviluppato in tecnologia CMOS che è il primo nel suo genere. Subito dopo anche la Phase One ha annunciato un sensore con le stesse caratteristiche. La spiegazione della vicinanza degli annunci si spiega considerando che entrambi i marchi hanno comprato il sensore prodotto dalla Sony. Il nuovo sensore è un sensore costruito con la tecnologia CMOS da 50 megapixel di dimensione 8280*6208 pixel con una superficie di 44*33 mm che equivale ad un fattore moltiplicativo di 1,3 per la medio formato (60*45 mm).

FRANCESCO

questo articolo è stato pubblicato sulla rivista FOTOGRAFARE 3 (Marzo) 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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2 Responses to “Sensori CMOS”

  1. Erik says : Rispondi

    Francesco bravo, l’articolo è tecnico ma allo stesso tempo chiaro.

    Non riesco a comprendere nella pratica quali siano quelle – che immagino essere enormi – differenze nella resa fotografica tra un sensore full frame ed un sensore 1/17 di uno smartphone.

    Puoi indicarmi in quali contesti la differenza è marcata?

    Grazie

    • Grazie per l’apprezzamento

      la differenza è nell’area del sensore e di conseguenza del numero di pixel che vengono acquisiti. l’immagine risulta molto più ricca di dettagli (e come la stampa di una immagine a 300 dpi ed una a 7200 dpi). in definitiva più il sensore e grande (il full frame è 24*36 mm mentre uno smartphone è circa 6*8 mm cioè con una area circa 50 volte più piccola.

      Francesco

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