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20-11-2018 14:32:15
fotozona

I segreti del CCD

? il componente pi? intimo di una fotocamera digitale, il sensore che converte la luce in segnali elettrici. Stefano Reato ce ne svela i segreti

Uno dei primi parametri da valutare ogni volta che ci accingiamo ad analizzare una fotocamera ? senz?altro il numero dei pixel del sensore che determina qual?? la massima dimensione della foto che si potr? stampare su carta. Qualora si stampi con una normale stampante a colori si possono ottenere immagini di buona qualit? se si rispettano i seguenti abbinamenti dimensione/risoluzione: 10 x 15 cm per una immagine 800 x 600 pixel, 12 x 18 cm per 1024 x 768, 15 x 21 per 1600 x 1200. Facendo le dovute considerazioni numeriche si ottengono risoluzioni diverse a seconda dell?abbinamento: 135 dpi, 140 dpi, 190 dpi (dpi=dot per inch, ovvero punti per pollice, dove 1 pollice = 2,54 cm) e propone una risoluzione inferiore per immagini pi? piccole e risoluzioni maggiori per immagini pi? grandi. Un metodo per determinare la ?qualit? accettabile? che ci lascia un po? perplessi: semmai un?immagine piccola si guarda pi? da vicino e pertanto necessita di una risoluzione specifica superiore. Preferiamo considerare un parametro di risoluzione fissa di 200 dpi (si veda in banda il paragrafo relativo all?acuit? visiva per immagini a 40 cm dagli occhi) che trova riscontri numerici nei retini usati per la stampa delle riviste a colori e nella modalit? di stampa ?photo? delle buone stampanti a colori di ultima generazione, si ottengono questi valori:
Si tenga conto che il numero di pixel qui calcolato ? teorico poich? la risoluzione di targa dei sistemi fotografici digitali ? al lordo degli errori di cui sono afflitti, visti nel capitolo specifico. ? da notare inoltre che un?immagine acquisita con un sensore di 3 Megapixel (3 milioni di pixel) e riscalata alla risoluzione di una immagine acquisita con un sistema di 1 Megapixel sar? certamente migliore. Ccd o Cmos? Il Ccd (Charge Coupled Device, la cellula fotosensibile che converte la luce in segnali elettrici) ? costruito in matrici (chip) di celle unitarie (pixel) che possono ?passarsi? la carica elettrica dall?una all?altra. Facendo scorrere prima in senso verticale e poi in senso orizzontale le cariche tra le celle ? possibile rendere seriale l?informazione, cos? come avviene in tutte le rappresentazioni delle immagini. Nei sensori Ccd a Cmos, ogni singolo elemento fotosensibile (pixel) ? costituito da un elemento che accumula la corrente emessa dal fotodiodo (la superficie attiva del pixel). Ogni unit? ? connessa singolarmente attraverso un amplificatore allo stadio di uscita. Da questa spiegazione sembrerebbe di poter desumere che i sistemi Ccd Cmos, essendo pi? complessi e sofisticati siano pi? costosi e qualitativamente migliori dei semplici sistemi Ccd. Nella realt? ? vero il contrario: i sensori Cmos utilizzano tecnologie produttive simili alla maggior parte dei circuiti integrati e provengono dalle stesse linee produttive. Quindi il maggior costo di progetto e la maggiore complessit? realizzativa sono abbondantemente bilanciati dell?ammortamento dei macchinari impiegati. Per produrre i sensori Ccd invece, vengono utilizzati macchinari appositi, limitati solamente a questo tipo di produzione. Gli svantaggi dei Cmos sono causati dalla maggiore quantit? di componenti presenti sulla loro superficie che provocano un aumento dei disturbi nell?immagine: il sensore ? quindi meno sensibile e offre meno defi- nizione a parit? di dimensioni. Allo stato attuale i chip Ccd ?puri? che troviamo nelle macchine fotografiche digitali non professionali sono migliori, non ? detto che l?evoluzione della tecnologia non porter? tra qualche anno a rivedere i parametri del confronto. Infatti gi? oggi troviamo i Cmos impiegati su prodotti di alta fascia (Canon EOS 1Ds, Kodak DCS 14n e SIGMA SD9). Super Ccd e Foveon: l?evoluzione
IL SISTEMA FUJIFILM Il SuperCcd, brevetto Fuji, sfrutta la geometria degli elementi sensibili per aumentare la risoluzione dei sensori Ccd. Come si pu? notare la forma di questo ? esagonale invece che quadrata come in tutti gli altri sensori. L?ultima generazione (la quarta) detta Super Ccd SR, migliora ulteriormente il progetto originale
Non dobbiamo pensare alle singole celle di un Ccd come attaccate l?una all?altra, tra di esse c?? uno spazio neutro. L?evoluzione tecnologica dei sensori sfrutta la riduzione di questo spazio con conseguente produzione di Ccd con maggiore risoluzione, pi? sensibili e meno influenzati da disturbi. I Super Ccd di Fujifilm recentemente giunti alla quarta generazione, approcciano questa esigenza ridisegnando la geometria delle unit? sensibili che, invece che quadrate (o rettangolari), diventano ottagonali e si ?incastrano? tra loro a tutto vantaggio del fattore di riempimento. In questo panorama fatto di affinamenti e piccole evoluzioni, nel 2002 Foveon (www.foveon.com) un?azienda Californiana di Santa Clara, ha annunciato, ed ? oggi disponibile, X3: una rivoluzionaria tecnologia. Si tratta di un chip tristrato basato su tecnologia Cmos in cui ogni strato assorbe un?unica gamma cromatica lasciando passare il resto. Foveon X3 unisce la semplicit? costruttiva di un singolo Ccd alla qualit? di una fotocamera professionale: queste ultime infatti utilizzano spesso un sistema a 3 sensori per riprodurre separatamente i tre colori primari, mentre i modelli pi? economici hanno un singolo sensore.
IL SENSORE FOVEON L?X3 ? il primo esempio di un sensore che concilia la qualit? di un sistema triplo alla semplicit? costruttiva di un singolo ccd
Interline Frame contro Full Frame I Ccd comunemente utilizzati nelle fotocamere hanno sensori del tipo ?interline frame sensor?. Il funzionamento prevede un tempo di esposizione, in cui gli elementi sensibili del sensore ?misurano? la luce incidente trasformandola in carica elettrica. Il principale pregio di questo tipo di costruzione ? la semplicit? meccanica: non serve un otturatore per determinare il tempo di esposizione: i Ccd Interline frame sfruttano semplicemente segnali elettronici. Il contro ? la perdita di superficie utile (-30%) determinata dalla presenza di altri componenti al fianco del sensore. Un altro vantaggio di questo tipo di sensore, ? che consente la generazione di un?immagine ?live? utile nella fase di anteprima. Sulle fotocamere di fascia pi? alta (spesso reflex) trovano posto i sensori?full frame?. In questo tipo di Ccd le singole unit? hanno doppia funzione: producono carica elettrica durante il periodo di esposizione alla luce e, passandosi la carica l?un l?altro, fanno arrivare l?informazione verso il componente che rende l?immagine comprensibile all?occhio umano (il convertitore analogicodigitale). Questa soluzione elimina la necessit? di elementi di correzione di tipo ottico (le micro lenti che si trovano su tutta la superficie del sensore) e garantisce un ottimale sfruttamento della superficie sensibile del Ccd. Ha lo svantaggio principale che uno scatto deve essere letto completamente prima che se ne possa effettuare un altro, il che impedisce di fatto la possibilit? di generare un?uscita video continua, molto pratica quando si utilizza il ?preview? da Lcd. Un parametro qualitativo importante ? la dimensione del sensore. In generale si pu? dire che pi? ? grande meglio ?, visto che consente di raccogliere pi? luce. Non aspettatevi per? grosse differenze a parit? di fascia di prodotto: le differenze di dimensioni tra i sensori delle fotocamere amatoriali non sono tali da generare foto di qualit? molto diversa. Per vedere notevoli miglioramenti bisogna andare su costose macchine professionali.
UN SISTEMA A 3 SENSORI Il massimo della qualit? d?immagine la si ottiene con un complesso sistema basato su 3 sensori.
La dinamica Un altro parametro importante per valutare la qualit? di un sensore ? la dinamica, ovvero l?intervallo di luce in cui il sensore ? in grado di dare una risposta. Una ripresa in esterno in piena luce con ombre forti ? un?immagine ad alto contrasto, avr? grande giovamento se ripresa con una macchina dotata di un sensore a grande dinamica. Una scena in interno avr? un basso contrasto e sar? poco influenzata dall?effettiva capacit? dinamica del sensore stesso. In generale i sensori delle macchine commerciali non hanno una dinamica eccellente: piuttosto lontane dalla dinamica che si pu? ottenere con una buona pellicola fotografica o con apparati digitali professionali. Risulta pertanto piuttosto importante seguire la regola di non effettuare riprese con contrasti molto elevati, o, qualora questo sia necessario, bisogna essere certi di aver istruito la macchina affinch? riprenda con la giusta esposizione la parte di immagine effettivamente interessante. Il confronto di dinamica tra apparecchi diversi pu? essere effettuato fotografando soggetti identici e verificando come si comportano nelle aree che presentano condizioni estreme. Il particolare pi? scuro riproducibile sar? determinato dal rumore di fondo del sistema elettronico (quelle imperfezioni dell?immagine che appaiono come puntini o striature anomali). Sebbene il parametro di dinamica sia piuttosto importante ? anche assai influenzato dal sistema di misura, per questo motivo difficilmente viene riportato nei dati di targa degli apparati. Per le migliori fotocamere in commercio (Canon G3, Nikon Coolpix 4500, Canon EOS-D30, Nikon D1, ecc.) nelle migliori condizioni vengono stimati valori di contrasto di circa 500:1.
Ma cosa percepisce l?occhio umano? Osservando la sezione di un occhio umano, si pu? vedere un bulbo avvolto esternamente da una membrana trasparente, le cornea, che protegge nella parte anteriore, il sistema di obiettivo costituito dall?iride e dal cristallino. Tale obiettivo ha lo scopo di focalizzare l?immagine sulla retina: una membrana sensibile alle radiazioni luminose (il nostro Ccd). Gli organi sensibili della retina sono i coni e i bastoncelli. I bastoncelli ci danno la sensazione luminosa, ossia ci permettono di vedere gli oggetti in bianco e nero, i coni sono sensibili alle variazioni di colore. Sulla retina sono presenti circa 100 milioni di bastoncelli mentre i coni sono una quantit? molto inferiore, circa 5 milioni. Risulta evidente che l?occhio sar? particolarmente sensibile alle variazioni di luminosit? dell?ambiente e poco sensibile alle variazioni di colori: ? esperienza di tutti che con il calar della sera si perde molto rapidamente la capacit? di distinguere colori e oltre un certo limite l?unico elemento ancora apprezzabile ? la variazione di luminosit?. La facolt? dell?organo visivo di apprezzare dettagli dell?immagine pi? meno fini, viene definita come acuit? visiva. In termini pratici possiamo dire che una buona acuit? visiva consente di discriminare i dettagli di un?immagine di 0,3 millimetri osservati alla distanza di un metro. Un?immagine digitale ? costituita da una matrice di punti, rapportata alla sensibilit? dell?occhio, vorrebbe dire che la risoluzione ottimale dello schermo TFT a 14? che sto usando, posto a 40 cm dei miei occhi, dovrebbe essere di circa 2400 x 1800 punti, equivalente a poco pi? di 200 punti pollice (dpi).


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