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Sensori CMOS e CCD sono componenti utilizzati nelle fotocamere per convertire la luce in immagini. Possono influenzare direttamente cose come la risoluzione, la sensibilità alla luce, la riproduzione del colore e il consumo energetico. Comprendi, di seguito, quali sono i principali vantaggi e svantaggi di ciascun tipo di sensore di immagine.
Sensore CCD della webcam (Immagine: Ethan R / Flickr)
comprensione degli acronimi
CCD sta per “dispositivo ad accoppiamento di carica” e ha un circuito formato da condensatori collegati (accoppiati) tra loro. CMOS sta per « semiconduttore di ossido di metallo complementare », in riferimento al suo processo di fabbricazione.
I sensori di immagine CCD e CMOS utilizzano lo stesso principio per scattare foto: entrambi catturano la luce proveniente dall’obiettivo tramite fotodiodi (o pixel) e memorizzano la luce come segnale elettrico.
I sensori CMOS e CCD utilizzano questa carica elettrica in modi diversi. In un dispositivo CCD, il segnale elettrico viene prelevato dal sensore, amplificato e fatto passare attraverso un convertitore analogico-digitale. Pertanto, la carica di ciascun fotodiodo diventa un valore digitale.
Nelle fotocamere CMOS, i pixel sono dotati di amplificatori per il segnale elettrico e questa carica passa già attraverso un convertitore analogico-digitale prima di partire, quindi il sensore emette valori digitali.
Come funziona il sensore CCD (immagine: Vitor Pádua / ) Come funziona il sensore CMOS di una fotocamera (Immagine: Vitor Pádua / )
Tecnologie a confronto
| Caratteristica | CCD | CMOS |
|---|---|---|
| Risoluzione | Fino a 3200 megapixel | Fino a 200 megapixel |
| Nuclei | maggiore fedeltà | fedeltà inferiore |
| sensibilità alla luce | Più grande | Più piccola |
| velocità di cattura | Minore, limitato a 11 fps | Più grande, può superare i 45 fps |
| Consumo di energia | Più grande, fino a 100 volte più grande del CMOS | Più piccola |
| costi di produzione | Più costoso | Più economico |
Risoluzione
Sensori CCD consentono di raggiungere risoluzioni molto elevate: il detentore del record ha 3.200 megapixel, secondo il Guinness Book. A loro volta, i sensori CMOS raggiungono i 200 megapixel, come il Samsung Isocell HP2.
La qualità dell’immagine sul CCD è superiore. Grazie al suo processo di fabbricazione, il sensore trasporta le cariche elettriche senza distorsioni attraverso il chip, portando a un segnale più fluido e a un rumore inferiore.
CCD offre una migliore qualità in scenari impegnativi, come le telecamere TDI per scene con scarsa illuminazione e molto movimento; e per acquisire immagini nello spettro NIR (vicino infrarosso).
Tuttavia, la qualità del CMOS si avvicina già in alcuni casi ai CCD, grazie ai progressi di questa tecnologia, secondo il produttore Teledyne. Ad esempio, i sensori CMOS vengono utilizzati al posto dei CCD per ottenere immagini ultraviolette, grazie alla loro elevata velocità di lettura.
Galaxy S23 Ultra, cellulare con sensore CMOS da 200 megapixel (Immagine: Paulo Higa/)
Nuclei
Sensori CCD riprodurre i colori in modo più accurato rispetto al CMOS, secondo il produttore di fotocamere industriali Adimec. I CCD producono immagini con una gamma dinamica maggiore e meno rumore, come spiegato da Olympus.
Tuttavia, il divario tra CMOS e CCD si è ridotto. Nei test con fotocamere Nikon, l’esperto Enrico Scaramelli non ha riscontrato differenze significative nella riproduzione dei colori.
Sia il CMOS che il CCD sono monocromatici, ma hanno un filtro colore davanti ai pixel, che lascia passare solo determinate tonalità. I filtri RGB, ad esempio, ricevono solo i colori rosso, verde e blu. Questi toni vengono utilizzati per calcolare i colori effettivi della scena.
sensibilità
Sensori CCD hanno una maggiore sensibilità alla luce, perché ogni pixel è quasi interamente dedicato alla ricezione del segnale luminoso. Ciò consente di raggiungere valori ISO più elevati. Nei sensori CMOS, parte della luce colpisce i transistor che accompagnano ciascun pixel.
In CMOS, ogni pixel ha componenti aggiuntivi, come amplificatori e convertitori di segnale, che riducono l’area disponibile per catturare la luce. Inoltre, il segnale elettrico viene distorto quando viene trasportato dal chip.
Regolazione ISO sulla fotocamera (Immagine: Felipe Ventura / )
Velocità
Sensori CMOS raggiungere una maggiore velocità: ogni pixel ha transistor per amplificare il segnale elettrico e convertirlo, prima di trasportarlo fuori dal chip. Ciò garantisce un’elaborazione parallela che velocizza l’acquisizione delle immagini.
I sensori CMOS possono superare i 45 fps (fotogrammi al secondo), mentre i sensori CCD sono limitati a 11 fps, secondo l’esperta Christina Pyrgaki.
Tuttavia, i sensori CMOS possono generare immagini distorte di oggetti in movimento a causa del metodo rolling shutter, che consiste nell’acquisire l’immagine riga per riga. Il CCD, a sua volta, legge tutti i pixel contemporaneamente.
Consumo di energia
Sensori CMOS consumano fino a 100 volte meno energia rispetto a un sensore CCD equivalente, secondo Teledyne FLIR. I sensori CMOS sono ampiamente utilizzati nei telefoni cellulari, il più grande segmento di fotocamere al mondo, perché sono più piccoli, generano meno calore e consumano meno batteria.
costi di produzione
Os Sensori CMOS sono molto più economici da produrre rispetto ai sensori CCD, come affermato da Edge AI e Vision Alliance. I dispositivi CMOS sono meno complessi e possono essere fabbricati sulla maggior parte delle linee di produzione di memoria e componenti logici.
I sensori CCD potrebbero ancora essere necessari per le apparecchiature professionali. Ma poiché i produttori di sensori si sono allontanati dalla tecnologia CCD, ci sarà meno scelta di fornitori, facendo salire il prezzo.
risorse addizionali
La maggior parte delle fotocamere CMOS ha un sensore con illuminazione frontale: i transistor sono vicini ai pixel e riducono l’area sensibile alla luce.
Il CMOS retroilluminato (BSI) posiziona i transistor sotto la superficie di ricezione della luce. BSI CMOS è più sensibile alla luce, raggiungendo un’efficienza del 95%, secondo Teledyne Photometrics. Il CMOS ordinario è efficiente fino all’80%.
Stacked CMOS ha una superficie sensibile alla luce sopra i transistor, proprio come BSI CMOS. Inoltre, il processore di immagini (ISP) è impilato con una memoria DRAM veloce, accelerando l’acquisizione di foto.
Alcune fotocamere CMOS sono dotate di stabilizzazione dell’immagine nel corpo (IBIS). La tecnologia, nota anche come sensor shift, sposta il sensore seguendo il movimento della telecamera, utilizzando un giroscopio e un accelerometro.
CCD o CMOS: quale scegliere?
I sensori CCD sono consigliati per applicazioni che richiedono una maggiore precisione del colore, migliori prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione e meno rumore. Questo vale per aree come l’astronomia e la biomedicina.
I sensori CMOS sono indicati per dispositivi compatti, come gli smartphone, o dispositivi che non richiedono una qualità dell’immagine così elevata, come le telecamere di sicurezza. Vale la pena ricordare che anche le fotocamere DSLR e mirrorless più recenti tendono a utilizzare sensori CMOS.
Sensore a pixel attiviCMOSDispositivo ad accoppiamento di caricaDSLRNikon