Tutto sui sensori CCD

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Tutto sui sensori CCD


: Gik25



Introduzione

Nelle macchine fotografiche digitali la pellicola è sostituita da un sensore. Questo sensore non è altro che un chip su cui l’immagine è catturata in analogico e convertita in digitale.

Il sensore è diviso in milioni di piccole aree chiamate pixel, ognuna delle quali registra l’informazione di colore relativa a un’area molto piccola. Oggi i sensori raggiungono facilmente risoluzioni enormi come tre milioni di pixel (il massimo è 14 milioni). In fotografia il numero di pixel si misura in Megapixel/Mp (milioni di pixel). Il numero totale di pixel è calcolabile anche come prodotto della massima risoluzione verticale per la massima risoluzione orizzontale. Ad es. se la macchina riprende 1280x1024 = 1,3 Mp. Per eseguire l’operazione contraria (massima risoluzione a partire dai Megapixel) dobbiamo ricordarci che il rapporto standard tra la risoluzione orizzontale e quella verticale è di 1,25:1. Quindi per prima cosa dobbiamo dividere il numero di Mp per 1,25 poi calcolare la radice quadrata (otterremo la misura minore: 1024) infine calcolare l’altra misura moltiplicando nuovamente per 1,25.

Quanto conta il numero di Mp

È importante notare che la “definizione” aggiuntiva catturata da un CCD con piì Mp potrebbe deludere chi si aspetta un nettissimo cambiamento. Mi spiego meglio: passando da 2 MP a 5Mp potreste pensare che un oggetto fotografato raddoppi (e oltre) la sua dimensione e sia quindi stampabile a grandezza piì che doppia. Es. potreste pensare che un’immagine a 2Mp sia stampabile agevolmente a 9x12 e quella da 5Mp a 18x24. (Le cifre non sono accurate, sono scelte solo per dare un’idea tangibile). Invece no. Infatti linearmente la risoluzione del CCD è aumentata solo della radice quadrata di 5/2 e cioè di 1,6 volte! Ben meno che 2,5 che ci saremmo aspettati a occhio.

Dunque se per definizione intendiamo l’aumento di dettagli in entrambe le direzioni, i Mp sono effettivamente un parametro utile che misura l’aumento di nitidezza nell’immagine. Ma se ci interessa notare un particolare o stampare la foto piì che i Megapixel ci interessa la risoluzione orizzontale (o verticale) e passando da un ccd all’altro quello che conta è la radice quadrata del rapporto tra le dimensioni dei sensori in Mp.

Rapporti teorici e Rapporti reali

Sensori

1 Mp

2 Mp

3 Mp

5 Mp

10 Mp

14 Mp

1 Mp

1

1

2

1,4

3

1,7

5

2,2

10

3,1

14

3,7

2 Mp





1

1

1,5

1,2

2,5

1,6

5

2,2

7

2,6

3 Mp









1

1

1,7

1,3

3,3

1,8

4,7

2,2

5 Mp













1

1

2

1,4

2,8

1,7

10 Mp

















1

1

1,4

1,2

14 Mp





















1

1

Come vedete i rapporti reali (tra risoluzioni orizzontali) sono molto deludenti rispetto all’aumento di Megapixel e sono tanto piì deludenti (in percentuale) quanto piì l’aumento è forte. In altre parole se l’aumento dovrebbe essere del doppio in realtà è di 1,4 volte. Ma se “dovrebbe” essere di 14 volte è di appena 3,7!

Grandezza dei sensori CCD

Un'altra caratteristica molto importante per i sensori CCD è la grandezza: la grandezza dei singoli pixel (piì che del ccd) influisce moltissimo sulla capacità di catturare luce. Sensori grandi (e quindi pixel piì grandi) di norma hanno una resa dinamica maggiore dei sensori piccoli. I valori piì diffusi in ordine crescente di grandezza sono 1/2.7", 1/1.8", 2/3", 23x15mm circa, 35x23mm (FF). La grandezza effettiva del ccd si calcola esattamente come è facile ipotizzare. Es 1/1.8" = 0.55" quindi 1/1.8 è piì piccolo di 1/1.3.
Grandezze di ccd da 23x15mm circa a 35x23mm o superiori sono le piì usate dai professionisti.

Funzionamento

Il funzionamento fisico di un ccd è qualcosa di complesso e poco interessante per un fotografo, vi basta sapere che grazie all’elettronica è stato possibile costruire strutture microscopiche in grado di rilevare l’intensità di luce che le colpisce attraverso variazioni della corrente elettrica prodotta (o lasciata passare). Il passo successivo è quello di convertire l’intensità di corrente elettrica in un segnale digitale attraverso un convertitore AD (Analogico-Digitale) a grande risoluzione di colore (12 bit, 16 bit).

Pixel Monocromatici

La cosa che è importante notare però, è che ogni pixel cattura un solo colore. Esatto i pixel sono monocromatici. In pratica i CCD attuali vengono “verniciati” pixel per pixel con una vernice trasparente che permette a ogni pixel di catturare la luce solo nella componente di colore di cui è verniciato. Per capire meglio questa tecnica basta pensare all’effetto che si ha guardano attraverso un filtro colorato. In pratica vediamo solo quel colore nelle sue diverse intensità.

Lo schema piì usato consiste nel dipingere i pixel adiacenti secondo lo schema GRGB Green (verde), Red (rosso), Blue (blu), Green (verde) (si noti che il verde è il colore a cui l’occhio umano percepisce la maggior parte di dettagli). I colori appena citati sono i colori primari, da questi è possibile ottenere qualsiasi altro colore.

In pratica l’effetto che si ottiene attraverso questa tecnica è quello di avere tre fotografie dello stesso oggetto, ognuna leggermente spostata rispetto all’altra di una certa misura angolare (che corrisponde a pochi millimetri o meno a distanze di pochi metri). Il calcolo si effettua così: larghezza area fotografata alla distanza X (ad es. circa 5 metri di larghezza a 5 di distanza)/risoluzione orizzontale. Per un sensore a 3Mp abbiamo = 5 m / 1550 = 3mm.

Queste immagini vengono fuse insieme attraverso un procedimento molto complesso che richiede, per dare un’idea, circa 100 operazione per singolo pixel. Nonostante ciò il procedimento produce artefatti abbastanza vistosi come una risoluzione “reale” inferiore a quella dichiarata e raggiunta solo grazie all’interpolazione, un certo livello di sfocatura necessario per evitare artefatti di colore che si verificano comunque su superfici a mosaico (es. una camicia).

Il sensore X3 della Foveon è l’unico a non utilizzare questa tecnica e a catturare le immagini senza artefatti di sorta.

Range Dinamico

Il Range Dinamico è il rapporto tra la piì forte e la piì debole luce catturabile dal sensore ccd una volta fissati tempo di otturazione, apertura diaframma e sensibilità iso. Il range dinamico è quindi un sinonimo di contrasto massimo tra luce e ombra che viene reso correttamente dal ccd. Anche l’occhio umano e la pellicola hanno un range dinamico limitato, il fatto è evidente se si pensa all’effetto che si ha guardando una pila che ci viene puntata in faccia o fotografando con qualunque macchina in controluce. In pratica un range dinamico troppo limitato ci porterà ad avere immagini con parti troppo chiare (sovraesposte), troppo scure (sottoesposte) o addirittura entrambe. In queste aree perdiamo completamente (o quasi) i dettagli e anche i migliori software faticano a recuperarli (e se ci riescono spesso l’immagine non è certo gradevole).

Sotto, esempio di range dinamico troppo basso.

Il range dinamico non viene dichiarato dai costruttori, ma può essere misurato attraverso alcuni test, la misura è espressa in ev (equivalent value) o in rapporti di contrasto (es. 400:1). Questo range varia inoltra al variare della sensibilità iso impostata, avendo il valore massimo per iso bassi (100) e calando rapidamente per valori alti (a iso 800 è in media 4 volte piì basso che a iso 100). Nella maggior parte degli apparecchi il range dinamico a iso 100 spazia tra 100 e 400, a secondo del modello.

Il nuovo sensore inventato da Fujifilm (il superCCD S3) è il migliore in questo campo sebbene guadagni solo il 25/30% in piì rispetto ai migliori ccd tradizionali. La tecnologia è comunque ancora giovane e il range dinamico è una delle caratteristiche piì importanti per un fotografo (anche e soprattutto per quelli alle prime erbe)

Convertitore AD

Come ho detto i pixel sono misuratori analogici e la misura da loro prodotta è un segnale elettrico misurabile in volt. Tale segnale deve essere convertito in digitale. La conversione introduce un fenomeno di perdita d’informazione chiamato “quantizzazione”. Questo fenomeno è dovuto al fatto che il numero di bit usati per ogni pixel è molto piccolo e il numero di informazioni codificabili con N pixel è 2N. Nella maggior parte delle fotocamere abbiamo N = 8 e di conseguenza 2N= 256. Ciò significa che qualsiasi immagine fotografiamo dovremo descriverla con “solo” 256 gradazioni di luminosità (per ogni colore). Le ultime fotocamere professionali hanno 10 o addirittura 12 bit che corrispondono rispettivamente a 1024 e 4096 gradazioni.

È utile? Beh diciamo di sì ma molto, molto meno delle altre caratteristiche. Sarà piì utile in futuro, quando le macchine avranno range dinamici molto superiori a quelli attuali e si potrà scegliere l’esposizione migliore dopo aver scattato la foto (il range sarà così ampio da equivalere a due foto con due esposizioni diverse). Si noti infatti che avere un buon range dinamico e soli 8 bit significa comprimere le informazioni aggiuntive rinunciando a buona parte delle informazioni guadagnate (in pratica la forte perdita di dettagli presente nelle zone scure o chiare si distribuisce ovunque ma molto, molto attenuata). Si noti inoltre che il Jpeg non supporta risoluzione di colore superiori a 8 bit (ecco il perché dei formati Raw o proprietari)

Tipi di ccd:

Ci sono essenzialmente due tipi di ccd: “interline transfer” e “full frame”. Il primo tipo è quello piì diffuso. Non necessita di un otturatore fisico, permette di utilizzare la macchina fotografica per realizzare brevi filmati e permette inoltre l’utilizzo del display lcd. Per contro però richiede un’elettronica molto ingombrante (dovuta alla presenza di registri a scorrimento) riducendo così la dimensione della parte sensibile del pixel a 1/3 dell’area totale. Il secondo non ha i registri a scorrimento ma richiede un otturatore fisico (tempi di otturazione molto bassi saranno quindi difficili da raggiungere) e non permette l’utilizzo dello schermo lcd (richiede quindi una struttura reflex o un viewfinder non allineato) in compenso l’area sensibile riempie circa il 70% dell’area del pixel. Ovviamente non è possibile registrare minifilm con questo tipo di sensore.

Riassumendo, vediamo di elencare i pro e i contro:

Interline Transfer

Full Frame

Possibilità di usare il display lcd

Possibilità di girare filmati

Possibilità di usare l’otturatore elettronico

Basso livello di “rumore”

Maggior grandezza del ccd

Miglior qualità dell’immagine

Miglior Range Dinamico