CCD VS CMOS: Sensori digitali a confronto

Le tipologie di sensori più utilizzati in ambito fotografico


Hasselblad H1 con dorso CCD Phase One
Hasselblad H1 e dorso CCD da 22 mpixel PhaseOne

Il cuore di ogni fotocamera digitale è il sensore digitale, cioé il chip deputato a convertire le onde luminose in cariche elettriche, per trasformarle poi in informazioni digitali.

Il sensore può essere di tipo CCD (Charge-Coupled Device) o CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor).

I sensori CMOS hanno preso quasi completamente il posto dei CCD nelle reflex digitali di ultima generazione mentre rimangono ancora utilizzati nei dorsi digitali ad alte prestazioni usati sulle fotocamere digitali di medio formato (Hasselblad, Phase One, Mamiya ecc).

Cerchiamo di spiegare le basi delle due tecnologie in poche parole, evidenziando le differenze fra i due sistemi.

Da: Onnik.it

Sensori digitali CMOS-CCD a confronto

(courtesy: Onnik.it)

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Caratteristiche elettriche ed output

Entrambi i sensori hanno come elemento base il fotodiodo, l’elemento fotosensibile che, colpito da un raggio di luce, genera una carica elettrica.

Nel caso del sensore CCD, la carica elettrica viene trasferita attraverso pochi “nodi” di uscita, per essere poi convertita in voltaggio e uscire dal sensore come segnale analogico. Tutti i fotodiodi sono dedicati esclusivamente alla lettura della luce e l’uniformità del segnale generato è alta – si tratta di una caratteristica importantissima ai fini della qualità dell’immagine.

In un sensore CMOS ogni fotodiodo è accompagnato da un convertitore che trasforma l’energia luminosa in voltaggio, e spesso anche amplificatori di segnale, riduttori di rumore e circuiti di digitalizzazione, cosicché il segnale in uscita dal sensore è in formato digitale. Questi altri circuiti intorno al fotodiodo riducono lo spazio dedicato alla cattura della luce. Inoltre, quando ogni fotodiodo effettua la propria conversione, l’uniformità del segnale è minore.

Differenze e punti di forza delle due tipologie di sensore

Ognuna delle due tecnologie ha quindi punti di forza e di debolezza che le rendono più adatte per certe applicazioni e non altre.

Le differenze principali possono essere così riassunte:

– il CCD crea un’immagine di alta qualità e basso livello di rumore, mentre il CMOS è più suscettibile al rumore

– il CCD consuma una grande quantità di energia, mentre il CMOS consente di risparmiarla

– I sensori di tipo CCD sono più costosi dei CMOS

– i sensori CMOS hanno una maggiore complessità costruttiva dei CCD

Sia i sensori CCD che CMOS possono offrire un’eccellente qualità dell’immagine se ben progettati.

I sensori CCD hanno finora rappresentato il punto di riferimento per le prestazioni in ambito fotografico, scientifico, applicazioni industriali che richiedevano la massima qualità dell’immagine possibile, anche a discapito delle dimensioni del sistema.

I sensori CMOS offrono più integrazione (più funzioni all’interno del chip) minore dissipazione di energia e la possibilità di realizzare un sistema di minori dimensioni – per questo motivo li troviamo sulle piccole fotocamere consumer o nelle fotocamere dei cellulari.

Gli sforzi dei progettisti di CMOS sono stati direzionati a raggiungere una più alta qualità dell’immagine, mentre i realizzatori di CCD hanno lavorato per ridurre il consumo energetico e le dimensioni dei pixel.
Il risultato è che mentre fino a pochi anni fa c’era una netta divisione di ambiti fra i sensori CMOS, legati a foto e videocamere consumer e cellulari, e CCD presenti su fotocamere reflex professionali e dorsi digitali, ora non è più così. Mentre i dorsi digitali medio formato montano esclusivamente sensori CCD per la maggiore precisione cromatica e qualità dell’immagine a discapito di dimensioni e consumi, il mondo delle reflex digitali professionali e prosumer ha visto un proliferare di fotocamere con sensori CMOS a fianco di quelle che montano CCD.

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Da sinistra il sensore CMOS della Canon EOS 1Ds ed i CCD di Canon EOS 1D e D60


I sensori CMOS, che hanno subito così tante implementazioni in questi ultimi anni, richiedono minori componenti e consumano meno energia, ma generalmente necessitano la presenza di un chip che ottimizzi la qualità dell’immagine, incrementando così il costo e riducendo il vantaggio sui consumi. 


Caratteristiche 
CCD CMOS
Output del fotodiodo
carica elettrica
voltaggio
Output del chip
voltaggio (analogico)
bit (digitale)
Output della fotocamera
bit (digitale) bit (digitale)
Presenza di rumore
Bassa Moderata
Complessità del sensore
Bassa Alta
Gamma dinamica
Ampia Moderata
Uniformità Alta Da bassa a moderata
Velocità raffica
Da moderata ad alta
Alta
Precisione cromatica
Alta
Media


Risposta in condizioni di scarsa illuminazione

In condizioni di luce fioca, in cui le variazioni dovute all’amplificazione sono più significative, i sensori CCD generano una risposta dei pixel più uniforme rispetto a quanto succede nei CMOS: gli amplificatori mono-pixel del CMOS generano valori di illuminazione e rumore poco uniformi; nel caso dei sensori CCD, le informazioni di tutti i fotodiodi sono amplificate dallo stesso strumento quindi la variazione dei valori fra un pixel e l’altro sarà minore, e risulterà in output più omogeneo.

Condizioni di luce fioca significa anche che il segnale risultante dall’illuminamento è vicino al livello di rumore di base del sensore. 

Gli amplificatori mono-pixel dei sensori CMOS hanno minore ampiezza di banda rispetto ad un amplificatore a banda larga per CCD, dovendo amplificare il segnale di un solo pixel e non dell’intero sensore. Questo permette all’amplificatore del CMOS di acquisire un maggiore voltaggio prima che i livelli di rumore diventino intollerabili, mantenendo un quoziente Segnale/Rumore maggiore. 
Questo è il motivo per cui i sensori CMOS offrono un’apparente sensibilità ISO più elevata – l’operazione di amplificazione del segnale è più agevole rispetto ad un CCD, a discapito della precisione cromatica che nei sensori CCD è invece maggiore.

Per contro, i sensori CCD hanno una maggiore copertura di superficie fotosensibile rispetto all’area complessiva del sensore, cioè ogni pixel cattura più luce e genera una carica elettrica maggiore, rispetto al pixel di un CMOS. 

Rapidità di acquisizione (Frame rate)

Una seconda considerazione da fare nella scelta del sensore, è relativa al frame rate (numero di acquisizioni al secondo) o raffica.

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.

In un sensore CMOS invece, ogni pixel è dotato di convertitore in voltaggio, quindi l’amplificatore del pixel non ha bisogno di essere superveloce per supportare un’alto frame rate. In questo modo, i sensori CMOS possono più facilmente raggiungere velocità di raffica maggiori rispetto ai CCD.


hasselblad_vs_nikon
39 Mp Hasselblad vs 12 Mp Nikon



Otturazione elettronica

L’otturazione elettronica è la capacità di iniziare e fermare la cattura della luce ed è particolarmente importante per i sensori CCD. Finchè un sensore CCD è colpito dalla luce esso continua ad accumulare carica, anche duranta il lasso di tempo necessario a trasferire la carica all’amplificatore e al convertitore. Come risultato, se la scena è in movimento, l’immagine risulterà mossa.
La soluzione ideata per i CCD è la creazione di canali di trasferimento, mascherati per bloccare la luce, adiacenti ad ogni linea di pixel immagine. Questa struttura permette di trasferire l’intera immagine ai canali mascherati, fermando la cattura di luce, poi spedire i dati fuori dal sensore senza che questo accumuli ulteriore carica mentre svolge questa operazione.

Lo svantaggio di questo tipo di struttura (ILT) è che la presenza dei canali mascherati riduce l’area fotosensibile del pixel, e quindi dell’intero sensore.
Nonostante ciò, la maggior parte dei sensori CCD utilizza la struttura ILT. L’utilizzo di microlenti sulla superficie del sensore per concentrare la luce incidente sull’area attiva del pixel compensa parzialmente la perdita di area sensibile, ma il risultato della acquisizione subisce variabilità a seconda degli angoli di incidenza della luce.

Con un sensore CMOS, l’otturazione elettronica è realizzata attraverso l’uso di transistor in ogni pixel che controllano la connessione tra il fotodiodo e l’accumulatore di carica.
per massimizzare l’area fotosensibile, alcuni sensori CMOS usano una struttura a 3 transistor per pixel, che finisce per risultare in un ROLLING SHUTTER, che influenza l’esposizione di una linea di pixel alla volta. Questo rolling shutter può distorcere l’immagine finale se il soggetto è in movimento (vedi l’effetto durante la ripresa video con fotocamere digitali reflex).

Ottenere una vera otturazione elettronica che fornisca un tempo di esposizione arbitrario richiede una struttura di 5 transistor per pixel, con una rilevante perdita di area fotosensibile. Le microlenti vengono usate, come nei CCD, per supplire parzialmente a questa perdita

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