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 bensà 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
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.