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CCD vs CMOS: tecnologie a confronto



Il cuore di ogni fotocamera digitale è il sensore, cioé il chip che converte le luce 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).
Cerchiamo di spiegare le basi delle due tecnologie in poche parole.
 


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 covertita in voltaggio e uscire dal sensore come segnale analogico. Tutti i fotodiodi sono dedicati esclusivamente alla lettura della luce e l'uniformità dell 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 covertitore 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.

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 è molto più economo
- 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 dimesioni 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 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.

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


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.

Ricordiamo inoltre che un sensore CCD può utilizzare la tecnologia del pixel binning, che permette di unire i dati di 4 pixel adiacenti in modo da moltiplicare la sensibilità del sensore, riducendo la risoluzione.
Questa tecnologia è stata portata ad altissimi livelli di efficienza da Phase One, che ha brevettato la tecnologia Sensor+ utilizzata nei dorsi digitali P40+ e P65+.

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.

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.

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.


Siti di interesse:
www.dalsa.com

http://electronics.howstuffworks.com