Riepilogo tecnologico sui sensori

Articolo:
Riepilogo tecnologico sui sensori


Mark75 (forum di hwupgrade)


Tempo fa mi sono fatto questo riepilogo contenente tutte le informazioni tecniche che ho appreso nel periodo in cui dovevo comprare la fotocamera e ho pensato che potrebbe essere utile a qualcuno, soprattutto a chi è più a digiuno sull'argomento.
Anticipo le scuse perchè sicuramente ci sarà qualcosa da migliorare o che non è corretto, comunque sia ho fatto del mio meglio e sono ben disposto a modificare questa piccolissima guida tecnologica:

I SENSORI

INTRODUZIONE
Il mondo è composto da miliardi di atomi che insieme formano ciò che ci circonda. Immaginiamolo molto banalmente come un enorme massa grigia; ogni cosa viene colorata dal flusso di fotoni che si scaglia contro, parte vengono assorbiti generando calore parte vengono riflessi e catturati dai nostri occhi che trasmettono informazioni al nostro cervello che le elabora. Sostituiamo gli occhi con i sensori e il cervello con un microprocessore ed otteniamo una fotocamera digitale.

La LUCE
La luce non è altro che energia che viaggia nel cosmo sotto varie lunghezze d’onda: dalle più corte 0,2 nm ovvero raggi X morbidi alle più lunghe ossia 700 nm, vicino infrarosso. Il nostro occhio non riconosce tutto ma solo quello che la nostra evoluzione ha reputato necessario esempio non vediamo gli infrarossi, raggi x, UV ecc.
Tutto questo è quello che mi ricordo sulla fisica (spero sia tutto corretto) e che mi serviva per l’argomento che sto per introdurre, i sensori fotosensibili!
Diversamente dalla fotografia tradizionale, la digitale cattura la luce con un sensore. Questo può essere costruito con diverse tecnologie, i CMOS solitamente più semplici ed economici, i CCD più raffinati, poi se entriamo in un ambiente più professionale troviamo gli ICCD e i recenti EMCCD.

PELLICOLA vs CCD
Tralasciando l’aspetto pratico, che non necessita di spiegazioni, e concentrandoci sul sensore, le differenze tra la pellicola e CCD riguardano la linearità, il range dinamico ottenibile e del limite di rivelabilità.



La dinamica è un parametro importante. Esso è espresso dal rapporto tra il massimo segnale rivelabile (saturazione) ed il minimo segnale (sensibilità). Nel caso di un CCD da 27 micron si ha una dinamica di ben 250.000, se il rumore di lettura è di 3 e- r.m.s.
Paragonata a quella della pellicola fotografica, che è di 100, la dinamica del CCD risulta impressionante. Mi piacerebbe provare ad esaminare i dati di fotocamere in commercio ma non ho trovato molte informazioni.

Intervento di Marakid:

INTERPRETAZIONE DEL GRAFICO

Sull'asse x c'é il tempo di esposizione - e qui non ci piove.
Sull'asse y suppongo che ci sia il "segnale di uscita" del dispositivo sensibile, quindi un segnale elettrico nel caso del CCD e un livello nella scala dei grigi (ragioniamo in B/N perché il CCD in effetti lavora in B/N, misurando i 3 canali separatamente) nel caso della pellicola.

Quindi dobbiamo supporre che il grafico sia stato ottenuto sottoponendo ad una sorgente luminosa di livello noto una pellicola e un CCD, variando il tempo di esposizione (x) e misurando il segnale in uscita/il livello di grigio ottenuto (y).

Il grafico ci dice quindi che per un certo livello di luce (ma non é specificato quale) al CCD basta meno tempo per dare in uscita un segnale interpretabile. Non ci garantisce peró nulla per livelli di luce diversi da quello usato in questo caso.

Bisognerebbe quindi sapere in quale range di luminositá quel grafico é valido, perché li non é specificato: se venisse fuori che queste buone prestazioni sono ottenibili solo per un range piú ridotto di quello della pellicola, ecco che questa avrebbe una latitudine di posa maggiore.

CAMPIONAMENTO DEL SEGNALE

Il sensore da solo non basta: il segnale che fornisce in uscita deve essere trasformato in un numero tramite un convertitore analogico/digitale (DAC). Poiché il formato JPEG usato di solito prevede solo 8 bit per canale, il DAC dovrá campionare l'intera gamma del segnale suddividendola in 2^8=256 livelli. Ogni livello, se campionassi l'intera dinamica del CCD che é di 1.000.000, varrebbe quindi 1E6/256 = 3.900.
Ora, la dinamica della pellicola é 30.000 (vedi grafico). Se la campionassi a passi di 3.900, quello che otterrei sarebbe che nell'intera dinamica di una normale foto su pellicola, la macchina digitale riuscirebbe a distinguere solo 30000/3900 = 8 livelli...
...un po' pochini no?
. Il problema potrebbe essere risolto campionando a 16 bit, ma poi potrei salvare solo in TIFF.

Rimanendo legati agli 8 bit per canale, campionati linearmente, l'unica soluzione per avere sfumature graduali é ridurre la dinamica: quindi la colpa della scarsa latitudine di posa non sarebbe del CCD, quanto del formato JPEG che non permette di estenderla piú di tanto.

SENSIBILITÃ? ISO E RUMORE
In una macchina tradizionale, se voglio piú sensibilitá ai livelli di luce bassi uso un rullino con ISO superiore. In una digitale, il sensore é sempre quello, caratterizzato dall'ampia dinamica vista in figura. Se voglio piú sensibilitá (=piú ISO), amplifico di piú il segnale in modo da leggere anche i livelli piú bassi. L'impostazione ISO delle digitali altro non é che l'impostazione del guadagno di un amplificatore. Ma ai livelli piú bassi il rapporto segnale/rumore é basso, quindi aumentando gli ISO amplifico il rumore nella foto finale, rendendolo visibile. Migliore é l'elettronica della macchina, meno avró rumore e piú potro amplificare --> potró andare ad ISO superiori.

Comunque credo che il problema della scarsa latitudine di posa derivi non dal CCD bensí da tutto quello che vi é a valle: campionamento e formato di compressione.


Altre info sul confronto:
Link: http://www.hyperreview.com/Fotograf...20confronto.htm

RUMORE
Come ho detto, la luce è energià e viene trasformata in carica elettrica dal fotodiodo quando viene colpito dal fotone. Il rumore (che non c’entra con quello acustico) può essere generato sia per agitazione termica o per fenomeni elettrici. Quello termico può essere combattuto abbassando la temperatura di funzionamento (-100°C). Quello elettronico è quel disturbo che affligge la carica del pixel quando percorre la matrice dei pixel verso la linea di uscita.
Quando in una foto vedete un bel cielo azzurro martoriato da un sacco di pixel che spiccano per tonalità innaturali generando un senso di fastidio avete capitò il perché; la carica elettrica viene disturbata e l’informazione che porta a destinazione non è precisa.

Altre info sul rumore digitale: http://www.hyperreview.com/Fotograf...fotografico.htm

CCD O CMOS
Il sensore è un dispositivo in bianco e nero. Per produrre un'immagine a colori, ha bisogno di un filtro a colori. Ogni colore primario (ad esempio rosso, verde o blu), viene associato a un singolo pixel. A questo punto il filtro a colori blocca tutti i colori tranne quelli associati a tale pixel. La fotocamera combina il pixel colorato con i pixel circostanti per produrre l'immagine finale.
Nel CCD (dispositivo ad accoppiamento di cariche) il sensore è composto da tanti pixel che sono elementi fotosensibili (fotodiodi) disposti in una matrice.
Nel CMOS, oltre al fotodiodo, sono presenti dei transistor MOS ad effetto di campo (MOSFET) che dal punto di vista ottico sono insensibili e non partecipano alla cattura dei fotoni. Inoltre sono collegati tra loro tramite dei collegamenti metallici che servono anche a convogliare il fotone verso il fotodiodo tramite un tunnel ottico. Quelli più efficienti appartengono alla tecnologia APS( Active pixel sensor) che per ogni pixel prevedono un amplificatore grazie al quale il rumore è molto inferiore. Il motivo è semplice, collegandoci al discorso precedente, l’amplificatore aiuta nella trasmissione della carica tra il pixel e la linea di uscita.
Tornando al CCD non presenta alcun transistor e il singolo pixel è composto solo da elementi fotosensibili il chè si traduce in una minor perdita per assorbimento.

La quantità di questi pixel appunto costituisce la grandezza dell'immagine finale, i famosi mega pixel che distinguono le categorie delle compatte e che spesso erroneamente si utilizza come indice di qualità.

EFFICIENZA DEL SENSORE
La differenza tra un buon sensore e uno cattivo è la facoltà di catturare la luce con minor perdite possibili e il minor rumore possibile. L’efficienza quantica (da ora QE) è l’abilità del sensore ad intercettare fotoni e generare di conseguenza degli elettroni per effetto fotoelettrico.
Se pensavate che esistessero materiali perfetti vi sbagliavate, quelli ce li hanno solo gli alieni. Per valutare la QE bisogna considerare le perdite: per assorbimento, riflessione e trasmissione.
La perdita per assorbimento è tipicamente collegata alle zone non sensibili ai fotoni, che si trovano sopra e dentro i pixel. Le perdite per riflessione e trasmissione sono invece da imputare alle proprietà fisiche del silicio. A certe lunghezze d’onda le perdite per riflessione sono rilevanti. Per esempio a 250 nm raggiungono il 70 %: in pratica il sensore riflette molta della luce che lo colpisce. La perdita per trasmissione si verifica quando dei fotoni passano attraverso la superficie sensibile, una regione che ha tipicamente uno spessore di circa 10 mm(micrometro), senza però generare delle cariche e quindi un segnale.

CCD DI NUOVA CONCEZIONE
La Fuji produce il SuperCCD. La particolarità è che in questo sensore i pixels hanno gli angoli smussati a 45°. Questo permette una minore distanza tra le celle sia perpendicolare che in orizzontale. Ciò si traduce in una miglior definizione, in termini pratici un sensore SuperCCD da 3Mp equivale ad un 4Mp tradizionale.
Nel SuperCCD di 4° generazione HR il pixel è suddiviso in due elementi sensibili, il primo, quello più grosso funziona normalmente come il SuperCCD SR, il secondo, quello più piccolo cattura i colori chiarissimi, l’immagine finale è un elaborazione della rilevazione dei due elementi.
Anche la HP ha dotato la Photosmart 945 di un sistema analogo. La Sony invece ha inventato un sensore che riconosce 4 colori anziché i soliti 3 primari, 1 x blu 2 x verde e 1 x rosso. Il secondo del verde riconosce il colore ciano per una migliore differenziazione (sarà ma non ho notato particolari dirrerenze).

SuperCCD HR


X3
Prodotto dall’azienda Foveon utilizza un sistema molto particolare anzi direi rivoluzionario. Anziché utilizzare un pixel per ognuno dei tre colori primari, in questo sensore ogni pixel li cattura tutti e tre in un colpo solo. Nessun filtro applicato sul pixel ma un particolare materiale siliconico che a seconda della profondità è in grado di leggere lunghezze d’onda diverse. Il fotone penetra e inizialmente viene riconosciuto il blu e più in profondità il verde per finire col rosso. La risoluzione è un 3.4 MP (2268 x 1512), ma dire che sono reali è poco, corrispondono almeno ad un 8MP normale, ufficialmente viene riportato 10,2MP. E’ utilizzato dalle Sigma SD9 e SD10.
Link: http://www.hyperreview.com/Fotografia/X3%20Foveon.htm
Questo link spiega molto bene anche se su alcuni particolari ho trovato diverse versioni in giro su internet.

SENSORI PROFESSIONALI: ICCD e EMCCD
Con sensori professionali non mi riferisco alle fotocamere professionali ma ad ambienti diversi dalla fotografia come la biofisica, l’astronomia o la microscopia di fluorescenza ma ora intendo fare solo qualche accenno. La spettroscopia a singola molecola, rilevamento del singolo fotone, caratterizzazione della condensazione di Bose-Einstein sono solo alcuni degli scopi che richiedono CCD ad alte prestazioni e per soddisfare tali richieste troviamo:
ICCD, sono sensori che hanno un intensificatore d'immagine dotato di MCP (piastra a microcanali) che migliora i segnali deboli, superando il rumore di lettura del chip CCD.
L'EMCCD (Electron Multiplying Charge Coupled Device) è un CCD in grado di raggiungere una sensibilità al singolo fotone pur non avendo un intensificatore d'immagine. Questa sensibilità è stata ottenuta inserendo un sistema di moltiplicazione aggiuntivo, che aumenta il numero degli elettroni generati nei pixel del CCD per la ionizzazione causata dall'impatto. In questo modo il numero di elettroni aumenta notevolmente prima che il numero venga digitalizzato e letto dal convertitore analogico-digitale.
Link: http://www.lot-oriel.com/it/htm/spec/si00217.php

DIMENSIONE DEL SENSORE
Queste sono le dimensioni dei sensori più comuni, ovviamente più è grosso e più ne guadagna la luminosità e diminuisce il possibile rumore anche se ultimamente si sta sopravvalutando questa caratteristica (Vedi articolo sull'X3). Per fare un paragone con la pellicola, un 1/1,8” corrisponde a metà della superficie di un negativo minox, un 1/ 2,7” invece ha la stessa superficie della pellicola Super 8.



Qualità del sensore della G3


Confronto EOS 300 Sigma SD10


Codice:
Sensore MP Dimensioni Larghezza x Altezza (mm)
1/2.7" 2-6 5.3x4.0
1/1.8" 3-7 7.0x5.3
2/3" 5-8 8.8x6.6
4/3" mind. 18.0x13.5
APS C 6-8 22.7x15.1


Sensore MP Dimensioni LxA (mm) 1/2,7" 2 - 6 5,3 4,0 1/1,8" 3 - 7 7,0 5,3 2/3" 5 - 8 8,8 6,6 4/3" mind. 6 18,0 13,5 APS C 6 - 8 22,7 15,1



PERCHE’ LE FOTOCAMERE CON PIU’ ZOOM HANNO SENSORI PIU’ PICCOLI
Nella fotografia, quando si parla di ottica ci si riferisce sempre alla pellicola da 35mm. Prendiamo per esempio la Canon S1 IS, ha un sensore da 1/2,7" che ha una superfice fotosensibile molto ristretta, questa è la differenza tra la pellicola 35mm con un sensore 1/2.7" (compatta ultra zoom) e un APS (sensore di una SLR non full frame):



questo valorizza maggiormente l'ottica, di ben 6,5 volte (FOV, field of view tradotto campo di visione). Realmente è da 5,8mm-58mm ossia un 10x (58/5,8=10). Moltiplicando per il FOV si paragona l'obbiettivo al 35mm ed equivalerebbe ad un 38mm (5,8 * 6,5) - 380mm (58 * 6,5). Più piccolo sarebbe stato il sensore più importanza avrebbe avuto l'obbiettivo... sarebbe un aspetto positivo se l'altro lato della medaglia non fosse la scarsa qualità e in abiti professionali è ben più importante delle dimensioni.

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