CMOS vs CCD: Le differenze dei sensori

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 della fotocamera 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.

Ma vediamo meglio nel dettaglio:

Descrizione dei sensori CMOS

I sensori CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) sono una tecnologia di sensori di immagine ampiamente utilizzata nelle fotocamere digitali e in altri dispositivi di imaging. Questi sensori sono costituiti da una matrice di fotodiodi, ciascuno dei quali è responsabile di convertire la luce in segnali elettrici.

La struttura interna dei sensori CMOS è composta da un substrato di silicio su cui sono depositati strati di ossido di silicio e metallo. Ogni fotodiodo è collegato a un transistor MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) che funge da amplificatore e convertitore del segnale. Questo amplificatore integrato a livello di pixel è ciò che rende i sensori CMOS diversi dai sensori CCD.

I vantaggi dei sensori CMOS sono molteplici. Prima di tutto, questi sensori hanno un basso consumo energetico, il che si traduce in una maggiore durata della batteria nei dispositivi in cui vengono utilizzati. Inoltre, i sensori CMOS sono generalmente meno costosi da produrre rispetto ai sensori CCD, consentendo la produzione di fotocamere digitali a prezzi accessibili per un’ampia fascia di consumatori.

Un altro vantaggio importante dei sensori CMOS è la loro elevata velocità di lettura. Ogni pixel del sensore può essere letto indipendentemente dagli altri, consentendo tempi di acquisizione rapidi e la possibilità di catturare immagini in rapida successione, come nel caso delle fotocamere in modalità burst o dei video ad alta velocità.

Un aspetto chiave dei sensori CMOS è la loro flessibilità nell’integrazione di altre funzionalità. Poiché ogni pixel ha un circuito MOS associato, è possibile implementare varie caratteristiche aggiuntive come la compensazione automatica dell’esposizione, la riduzione del rumore o il rilevamento del volto direttamente sul chip del sensore. Questa integrazione di funzionalità può migliorare l’efficienza dell’intero sistema di imaging.

I sensori CMOS sono ampiamente utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, oltre alla fotografia digitale. Sono presenti in telecamere di sicurezza, telefoni cellulari, telecamere per veicoli, videocamere di sorveglianza, dispositivi medici e molte altre apparecchiature in cui l’acquisizione e l’elaborazione dell’immagine sono fondamentali.

Complessivamente, i sensori CMOS offrono numerosi vantaggi, tra cui il basso consumo energetico, il costo inferiore, l’elevata velocità di lettura e la flessibilità nell’integrazione di funzionalità aggiuntive. Questi fattori hanno contribuito alla loro diffusione nella maggior parte dei dispositivi di imaging moderni, rendendoli una scelta popolare per molte applicazioni fotografiche e non solo.

Descrizione dei sensori CCD

I sensori CCD (Charge-Coupled Device) sono un’altra tecnologia ampiamente utilizzata nei sensori di immagine, inclusi quelli presenti nelle fotocamere digitali. I sensori CCD funzionano sulla base del principio di accumulo di carica e sono composti da una matrice di fotositi, ognuno dei quali è responsabile di convertire la luce in segnali elettrici.

La struttura interna dei sensori CCD è composta da un substrato di silicio sul quale sono presenti tre strati principali: lo strato di fotositi, lo strato di trasferimento di carica e lo strato di accumulazione di carica. La luce incidente sui fotositi genera elettroni, che vengono quindi trasferiti in sequenza da un fotosito all’altro mediante l’uso di tensioni di controllo. Alla fine del processo di trasferimento, la carica accumulata viene letta da un singolo amplificatore, presente generalmente alla fine della matrice di fotositi.

I sensori CCD offrono alcuni vantaggi distintivi rispetto ai sensori CMOS. Prima di tutto, i sensori CCD producono una qualità dell’immagine superiore grazie alla loro struttura e alla gestione efficiente della carica accumulata. Questo li rende particolarmente adatti per applicazioni che richiedono una riproduzione accurata dei dettagli e una bassa rumorosità dell’immagine.

Un altro vantaggio dei sensori CCD è la loro maggiore sensibilità alla luce. A causa del processo di accumulo di carica, i sensori CCD sono in grado di raccogliere e mantenere una maggiore quantità di carica elettrica, consentendo una migliore cattura delle basse intensità luminose. Questa caratteristica li rende ideali per situazioni di scarsa illuminazione o per la fotografia astratta e notturna.

I sensori CCD sono noti anche per la loro migliore gestione del rumore. Grazie alla struttura dedicata al trasferimento di carica, i sensori CCD tendono a produrre un livello di rumore inferiore rispetto ai sensori CMOS, soprattutto ad alti ISO. Questo li rende adatti per applicazioni in cui la riduzione del rumore è un fattore critico, come la fotografia professionale o in ambienti a bassa luminosità.

Tuttavia, i sensori CCD presentano alcune limitazioni. Sono generalmente più costosi rispetto ai sensori CMOS a causa del processo di fabbricazione più complesso e delle tecnologie impiegate. Inoltre, i sensori CCD richiedono un consumo energetico più elevato rispetto ai sensori CMOS, il che può influire sulla durata della batteria nelle fotocamere digitali.

Nonostante queste limitazioni, i sensori CCD sono ancora ampiamente utilizzati in ambiti specifici, come la fotografia di alta qualità, l’astronomia e l’industria cinematografica, dove la fedeltà dell’immagine e la gestione del rumore sono di primaria importanza.

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Differenze tra sensori CMOS e CCD

I sensori CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) e i sensori CCD (Charge-Coupled Device) sono due tecnologie di sensori di immagine con alcune differenze fondamentali nel modo in cui acquisiscono e elaborano i segnali luminosi.

Modalità di campionamento e conversione del segnale:

Nei sensori CMOS, ogni pixel è collegato a un transistor MOS che amplifica e converte il segnale luminoso in un segnale elettrico. Ciò consente una lettura indipendente di ciascun pixel e una rapida acquisizione delle immagini.
Nei sensori CCD, il segnale luminoso viene accumulato nei fotositi e successivamente trasferito in sequenza lungo una matrice di fotositi tramite tensioni di controllo. Alla fine, il segnale viene letto da un singolo amplificatore. Questo processo richiede più tempo rispetto ai sensori CMOS, ma può offrire una maggiore precisione e una migliore gestione del rumore.

Sensibilità alla luce:

I sensori CMOS tendono ad avere una sensibilità inferiore alla luce rispetto ai sensori CCD. Ciò significa che possono avere una performance meno ottimale in condizioni di scarsa illuminazione.
I sensori CCD sono noti per la loro maggiore sensibilità alla luce, grazie alla capacità di accumulare una maggiore quantità di carica elettrica. Ciò li rende adatti per la fotografia in ambienti a bassa luminosità o per catturare dettagli in condizioni di luce ridotta.

Rumore dell’immagine:

I sensori CMOS tendono ad avere un livello di rumore leggermente superiore rispetto ai sensori CCD, specialmente ad alti ISO. Tuttavia, i progressi nella tecnologia CMOS hanno portato a miglioramenti significativi nella riduzione del rumore.
I sensori CCD, grazie alla loro struttura dedicata al trasferimento di carica, sono noti per la gestione efficiente del rumore e possono produrre immagini con un livello di rumore inferiore, soprattutto in situazioni di luce scarsa.

Consumo energetico:

I sensori CMOS hanno un consumo energetico inferiore rispetto ai sensori CCD. Questo li rende più adatti per dispositivi portatili come fotocamere digitali, telefoni cellulari e videocamere, in quanto contribuisce a prolungare la durata della batteria.
I sensori CCD richiedono un consumo energetico più elevato rispetto ai sensori CMOS, il che può influire sulla durata della batteria.

Costo:

I sensori CMOS sono generalmente meno costosi da produrre rispetto ai sensori CCD. Ciò li rende una scelta più economica per la maggior parte dei dispositivi di imaging, inclusi dispositivi di consumo come fotocamere digitali e telefoni cellulari.
I sensori CCD sono solitamente più costosi a causa del processo di fabbricazione più complesso e delle tecnologie impiegate. Pertanto, vengono spesso utilizzati in applicazioni specializzate che richiedono prestazioni di imaging avanzate.

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.

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 dei sensori

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.