I sensori Cmos

Comparazione sensori CCD e sensori CMOS (spunti: Il CCD in Astronomia)

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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 convertita 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 convertitore 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 dimensioni 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 Reflex digitali e le piccole fotocamere consumer o nelle fotocamere dei cellulari.

La motivazione per la quale vengono considerate le Reflex digitali con sensore CMOS in campo astrofotografico è per il costo molto conveniente, per il basso rumore conferito dai moderni sensori e per il buon apporto dinamico del segnale, una sufficiente sensibilità e la possibilità a differenza della tecnologia a pellicola di integrare molte pose e vedere il risultato in anteprima.

 

Capacità di carica (Full Well Capacity)

Ogni pixel può essere immaginato come un contenitore, con una capacità di raccolta ben determinata. Può contenere solo un certo numero di elettroni che viene dichiarato dalla casa costruttrice del chip. Questa capacità chiamata Full Well Capacity è proporzionale alla grandezza e quindi al volume del pixel. Più sarà maggiore il volume del pixel più la capacità dei fotoni convertiti in elettroni sara elevata.

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Efficienza quantica

Viene definita come la capacità del pixel di convertire in un elettrone un fotone incidente. Il pixel ideale quello che per ogni fotone libera nel suo interno un elettrone. Ciò corrisponderebbe ad un’efficienza, cioè al rapporto tra elettroni generati e fotoni incidenti, del 100%. Il pixel ideale però non esiste, una parte più o meno rilevante di fotoni, non produrrà alcun effetto sul nostro sensore astronomico. La causa è la natura cristallina del silicio che ha un notevole spazio tra un nucleo atomico e l’altro.

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Il raffreddamento e la sostituzione del filtro nelle camere modificate per astronomia

Ciò che differenzia una Reflex originale da una modificata per l’astronomia è la possibilità di raffreddare il sensore e di rimuovere il filtro UV-Ir cut originale e sostituirlo con uno adatto all’astrofotografia, che come caratteristiche principali offre una maggiore sensibilità alle righe di emissione dell’ h-alpha nel rosso conseguentemente aumentando in generale l’efficienza quantica del CMOS della nostra reflex.

I sensori CCD e CMOS generano con l’aumentare dell’amplificazione (ISO) e con l’aumentare del tempo di posa la corrente di buio ovvero quegli elettroni indesiderati prodotti dal circuito elettronico e registrati nell’immagine. Se con la nostra camera Reflex eseguiamo una ripresa in assenza di luce non otteniamo un’immagine completamente nera, ma ciò che vediamo nelle rappresentazioni che seguono.

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La quantità di rumore è influenzato dai seguenti fattori:

  • Dimensioni del sensore. Un sensore grande è generalmente meno rumoroso di uno piccolo
  • Dimensioni dei singoli pixel. A parità di dimensioni del sensore, più megapixel significa più dettaglio ma anche più rumore
  • Sensibilità ISO impiegata. Poca luce = alto valore ISO = maggiore amplificazione del segnale = più rumore
  • Forte compressione jpeg
  • Tempi di posa. Tempi lunghi (1-2 sec.) producono rumore cromatico
  • Temperatura del sensore
  • Processi produttivi e materiali impiegati nella costruzione del sensore

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