CMOS vs CCD: Le differenze di qualità dei sensori

Le differenze più importanti tra i sensori CMOS e i sensori CCD.

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Sensori Cmos vs CCD
Sensori Cmos vs CCD

Qual è la parte più importante di una macchina fotografica? I megapixel? Assolutamente no! Il cuore di ogni fotocamera è il sensore! Un chip che converte tramite un processo ben preciso i segnali elettrici e li trasforma in informazioni digitali.

Esistono diversi tipi di sensore e per ora abbiamo il tipo CCD (Charge – Coupled Device) e il comune CMOS ( Complementary Metal – Oxide – Semiconductor) ma quale sono le differenze principali? Qual è il sensore migliore?

Entrambi i sensori menzionati qui sopra hanno un elemento di base, l’elemento fotosensibile che colpito dalla luce genera una carica elettrica, questo si chiama “fotodiodo“. Nel caso del primo sensore, il CCD, il segnale elettrico viene trasferito in pochi segnali di uscita per poi essere convertita in voltaggio e uscire definitivamente in un segnale analogico. Tutti i fotodiodi del sensore sono dedicati alla lettura della luce e all’uniformità del segnale generato. Al contrario, nel sensore CMOS, ogni fotodiodo è seguito da un convertitore che trasforma la luce in voltaggio, utilizzando anche amplificatori di segnale, riduttori di rumore e circuiti di digitalizzazione, trasformando il segnale finale in un formato digitale.

Ogni fotodiodo effettua la propria conversione in segnale digitale e l’uniformità del segnale è minore a quella del sensore CCD.

Ricapitoliamo quindi i punti di forza e le debolezze dei due sensori:

  • Il sensore CCD: Crea un immagine di alta qualità con basso rumore ma consuma una grandissima quantità di energia
  • I sensori CMOS hanno una qualità più bassa, sono più suscettibili ai difetti di “rumore digitale” ma sono molto più economici, anche se più complessi da costruire.

In fin dei conti tutte e due i sensori possono comunque offrire una qualità d’immagine eccellente, ma diciamo che i sensori CCD sono utilizzati in questo momento più per prestazioni a livello scientifico o industriale dove serve necessariamente la massima qualità dell’immagine finale.

Differenze sensore CMOS vs CCD

I sensori CMOS sono molto più semplici da integrare, hanno più funzioni dentro il loro chip con minore dissipazione di energia. Inoltre si possono realizzare in dimensioni molto piccole, e proprio per questo motivo li stiamo trovando ultimamente anche sulle fotocamere dei moderni smartphone.

Fino a qualche anno fa c’era ancora una netta differenza tra i due sensori, sopratutto utilizzati in ambito fotografico, ultimamente gli ingegneri hanno realizzato sensori CMOS davvero tecnologicamente molto avanzati e il mondo delle reflex digitali sta utilizzando prettamente questo tipo di sensori, sopratutto per la loro economicità.

Le problematiche

I primi difetti si possono iniziare a verificare in casi di scarsa luminosità, quando le variazioni degli amplificatori diventano necessarie. I sensori CCD hanno una risposta dei pixel molto più uniforme di quanto succede nei sensori CMOS e nel caso dei sensori CCD le informazioni di tutti i fotodiodi sono amplificate tutte in modo omogeneo, producendo cosi una variazione dei valori dei pixel minore con un risultato più apprezzabile.

Ti ricordo che condizioni di luce scarsa significa anche un aumento del livello di rumore.

Gli amplificatori “mono pixel” dei sensori CMOS possono amplificare il segnale di un singolo pixel e non di un intero sensore, questo permette all’amplificatore di acquisire un maggior voltaggio prima che i il rumore digitale inizi a diventare intollerabile visivamente. Questo è il motivo per cui i sensori CMOS hanno una sensibilità ISO più elevata dei sensori CCD, a discapito della precisione cromatica che è maggiore in quest’ ultima.

Al contrario però i sensori CCD hanno una copertura di superficie fotosensibile maggiore e di conseguenza ogni pixel cattura più luce finendo per generare una carica elettrica maggiore.

Pixel Binning

Questa è una tecnologia che il sensore CCD può utilizzare e permette di unire i dati di 4 pixel vicini in modo da amplificare e moltiplicare la sensibilità del sensore riducendo la risoluzione. Il pixel binning è stata studiata da Phase One che ha brevettato proprio la tecnologia Sensor+, utilizzata sui sensori delle fotocamere Phase One P40+ e P65+

Il frame rate

Spesso sottovalutato nella fotografia, è una variabile molto importante tra questi due sensori e non è nient’altro che la proprietà di fare acquisizioni a raffica in modo veloce.

Per i sensori CCD è la velocità di trasporto dei dati dai singoli pixel a porre il limite massimo del frame rate. Questo perché un sensore CCD deve trasferire i dati di tutti i pixel per vuotare i suoi registri di trasmissione, prima che possano accogliere la successiva immagine. Se ogni pixel trasmette alla stessa velocità, un’immagine più ampia richiederà più tempo di trasmissione e quindi il frame rate sarà minore.

Questo non succede nei sensori CMOS, visto che ogni pixel è dotato di un proprio convertitore di voltaggio, l’amplificatore dei pixel non dev’essere per forza superveloce per dover supportare un alto frame rate.

Per quanto riguarda il frame rate quindi vincono i sensori CMOS.

Differenze dell’otturatore

Finché un sensore CCD viene colpito dalla luce, continua ad accumulare la carica elettrica con il risultato, che se la scena è in movimento, l’immagine finale risulterà mossa. Questo è stato “parzialmente risolto” sui sensori CCD creando dei canali di trasferimento che mascherano la luce in ingresso. Questa struttura trasferisce l’intera immagine ai canali mascherati, ferma la luce e spedisce i dati fuori dal sensore senza che venga accumulata un’ulteriore carica elettrica. Bisogna però dire che questo tipo di struttura, chiamata ILT, riduce l’area fotosensibile dei pixel e dell’intero sensore.

Nel caso dei sensori CMOS l’otturazione elettronica avviene attraverso l’utilizzo del transistor di ogni pixel che controlla la connessione tra il fotodiodo e l’accumulatore di carica. Per cercare di massimizzare l’area fotosensibile, i sensori moderni utilizzano una struttura a 3 transistor per pixel, questo prende il nome di “rolling shutter” e influenza l’esposizione dei una linea di pixel a volta.

Per ottenere l’otturazione elettronica che fornisce un esposizione arbitraria bisogna avere una struttura di 5 transistor per pixel, anche se questo comporta una perdita dell’area fotosensibile. Le microlenti vengono utilizzate (come nel caso dei sensori CCD) per ridurre questa perdita.


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