I SENSORI CCD
Sensori CCD
Esempio di sensore CCD
Matrice di fotorivelatori a
stato solido, cresciuti su una
comune base di silicio.
A
ciascuno
di
questi
microscopici
rivelatori
corrisponde un singolo elemento
dell’immagine (pixel).
Sensori CCD
Il CCD (Charge-Coupled Device) è nato presso i laboratori Bell di
Murray Hill, New Jersey. Verso la fine del 1969, Boyle e Smith,
ricercatori impegnati nella ricerca di nuovi metodi di acquisizione delle
immagini tramite cristalli di silicio, trovarono quasi per caso il CCD.
Il CCD è un dispositivo caratterizzato da una matrice di microscopiche
regioni di forma quadrata o rettangolare, disposte a scacchiera sulla
superficie di un cristallo di silicio, opportunamente trattato e
integrato in un dispositivo chiamato microchip (tecnologia MOS).
Tali regioni, molto sensibili alla luce, denominate pixel (picture
element), sono ricavate direttamente nel silicio e disposte come
mattonelle di un pavimento, troppo piccole per essere osservabili ad
occhio nudo.
DISEGNO DI UN
MICROCHIP
Sensori CCD
Per comprendere meglio il funzionamento di una camera
CCD, possiamo grosso modo compararne l'aspetto ad una
semplice macchina fotografica.
In una macchina fotografica tradizionale la superficie del
film esposta alla luce giace su un piano posto di fronte
all'otturatore. Se sostituiamo il film con un sensore CCD
ed equipaggiamo la nostra macchina con un'elettronica e un
software capaci di registrare e riprodurre immagini
digitali, otteniamo una camera CCD. La superficie del
sensore è paragonabile a quella di un'emulsione
fotografica: alla matrice dei pixel corrisponde i granuli
di alogenuro d’argento dell'emulsione.
Da notare la differenza nelle dimensioni del sensore: nelle
camere CCD non professionali sono poche decine di
millimetri quadrati rispetto agli 864 mm2 del campo di
una 24x36.
Sensori CCD
La superficie di un'emulsione fotografica, vista al
microscopio, è composta di grani, le cui dimensioni non
sono tutte perfettamente uguali. Inoltre, i grani del
film sono distribuiti in modo non del tutto uniforme.
Invece i pixel del CCD sono tutti identici e sono
disposti con assoluta regolarità lungo le colonne e le
righe di una matrice quadrata o rettangolare.
Quando si riprende un’immagine con una camera CCD,
la luce, composta a sua volta dai singoli fotoni
provenienti dall'oggetto inquadrato, viene “catturata”
dalla superficie del sensore e ciascun pixel
raccoglierà una quantità di luce proporzionale alla
durata dell'esposizione e all'intensità del flusso
luminoso incidente in quel punto.
Il CCD: principio di funzionamento
Il principio fisico su cui si basa tale dispositivo è l'effetto fotoelettrico.
La struttura può essere riassunta in una superficie di dimensioni massime 6 x 6
centimetri, il cui costituente fondamentale è silicio, organizzata in una matrice di
elementi, detti pixel, ciascuno costituito dall'elemento base di un CCD, il
condensatore MOS (Metal Oxide Silicon).
Il CCD: principio di funzionamento
Un CCD consiste in un circuito integrato formato da una riga, o da una griglia, di
elementi semiconduttori (photosite) in grado di accumulare una carica elettrica (charge)
proporzionale all'intensità della radiazione elettromagnetica che li colpisce. Questi
elementi sono accoppiati (coupled) in modo che ognuno di essi, sollecitato da un
impulso elettrico, possa trasferire la propria carica ad un altro elemento adiacente.
Inviando al dispositivo (device) una sequenza temporizzata d'impulsi, si ottiene in
uscita un segnale elettrico grazie al quale è possibile ricostruire la matrice dei pixel che
compongono l'immagine proiettata sulla superficie del CCD stesso.
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UN CCD
L’interazione dei fotoni con il CCD provoca la liberazione di
elettroni per effetto fotoelettrico. Durante la fase di esposizione i
fotoelettroni vengono accumulati in ciascun pixel. Quindi sulla
superficie del sensore andrà formandosi una precisa mappa
elettronica dell'immagine dell'oggetto ripreso. Il passo successivo
consiste nel trasferimento della carica. La carica accumulata in
ciascun pixel viene trasferita sequenzialmente, con l’ausilio di varie
tecniche, ad un registro di lettura. Questa operazione viene
effettuata manipolando in maniera sistematica la differenza di
potenziale tra i pixel, in modo tale che il segnale costituito dagli
elettroni si muova lungo i registri verticali da un pixel al successivo,
come se viaggiasse su un nastro trasportatore.
STRUTTURA DEL CCD
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UN CCD
Il registro di lettura accumula una riga alla volta e quindi
trasporta il pacchetto di cariche in modo sequenziale ad un
circuito amplificatore interno. L'operazione finale, la rivelazione
delle cariche, avviene quando i singoli pacchetti di cariche
vengono convertiti in un voltaggio d'uscita. Il voltaggio di ciascun
pixel può essere amplificato da un amplificatore esterno,
codificato in modo digitale e “trasformato“ in una sequenza
numerica di bit, ovvero in un ben determinato tono (livello) di
grigio. L’immagine digitale così ottenuta, che prende il nome di
light frame, sarà quindi trasferita in un computer e visualizzata
su un monitor.
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UN CCD
Dopo la chiusura dell'otturatore (1) il chip, che ha registrato
nei singoli pixel le variazioni di carica dovute all'impatto dei
fotoni, è pronto a trasmettere l'informazione (i pixel sono
colorati in verde; le stelline rosse rappresentano le cariche
generate dai fotoni). L'informazione contenuta nella prima
riga di pixel si sposta simultaneamente nel registro seriale (2)
dove viene raccolta ed inviata sequenzialmente all'uscita (3,
4). Quando il registro seriale si svuota, viene caricata la
seconda riga di pixel e il processo riparte dal punto 2. Una
volta che tutti i registri sono vuoti, l'otturatore può essere
riaperto per cominciare la registrazione di una nuova
immagine.
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UN CCD
TIPOLOGIA DEI CCD
La matrice di mxn pixels è organizzata in maniera diversa a
seconda dello schema di trasferimento di carica adottato:
• Interline transfer
• Frame transfer
• Full frame transfer
Interline transfer
Nei CCD Interline Transfer, ad ogni colonna di elementi
fotosensibili è associata una colonna adiacente di elementi
schermati dalla luce (registri verticali). Alla fine del processo di
integrazione, le cariche accumulatesi negli elementi fotosensibili
sono istantaneamente trasferite nei registri verticali, per poi
essere trasferite riga per riga, nel registro orizzontale di lettura
del segnale di uscita del CCD.
Lo shift delle cariche dai pixel ai registri verticali di lettura dura
poco più di un microsecondo.
TIPOLOGIA DEI CCD
Frame transfer CCD
I CCD Frame Transfer presentano due aree
strutturalmente identiche sulla superficie del sensore.
Una, sensibile alla luce, è la zona dove si accumulano le
cariche durante la posa; l’altra, schermata con una
lamina metallica, è la memoria dove al termine del
processo di integrazione sarà parcheggiata l’immagine
dopo un trasferimento dall’area sensibile, della durata
di 1-2 millesimi di secondo.
TIPOLOGIA DEI CCD
Full frame transfer CCD
I CCD Full Frame Transfer hanno solamente l’area
attiva.
La
lettura
dell’immagine
al
termine
dell’esposizione,
avviene
mediante
trasferimento
progressivo al registro di lettura del contenuto delle
righe della matrice del sensore, dalla prima riga fino
all’ultima. Questo processo dura in genere qualche
decimo di secondo. Se l’area del sensore nel frattempo
non è protetta dal flusso incidente dei fotoni, l’immagine
finale sarà affetta da smearing, ossia da un alone
provocato dal continuo assorbimento di energia luminosa.
Tale inconveniente viene eliminato equipaggiando tali
camere con otturatori elettromeccanici, in grado di
schermare l’area attiva del sensore durante la lettura e
il campionamento dell’immagine.
CAMERE CON SENSORE CCD
CURVE DI EFFICIENZA QUANTICA DI UN SENSORE CCD
DARK CURRENT
Per raffreddare il CCD in modo da diminuirne il
rumore termico si ricorre spesso ad un sistema di
raffreddamento
termoelettrico
(Thermoelectric
Cooling
TEC).
Questo
sistema
consiste
essenzialmente in una cella o elemento Peltier,
formata da una o più giunzioni, in serie, di due
materiali diversi; il passaggio di una corrente nella
giunzione induce un trasferimento di calore da un
materiale all’altro, raffreddandone uno e riscaldando
l’altro: il sistema si comporta, in pratica, come una
pompa di calore.
DARK CURRENT
Il CCD viene attaccato al lato di raffreddamento
della cella Peltier, la quale sottrae calore dal lato
freddo e lo trasferisce al lato caldo, dove, affinché il
sistema lavori correttamente, deve essere smaltito. Con
le celle Peltier si può raggiungere al massimo una
differenza di temperatura tra i due lati pari a circa
60 °C: di conseguenza la temperatura assoluta che può
essere raggiunta dal lato freddo dipende da quella a cui
si trova il lato caldo; per questo motivo è molto
importante avere una buona dissipazione del calore sul
lato caldo.
I CCD A COLORI
I sensori CCD non hanno alcuna conoscenza cromatica
della realtà: reagiscono ai fotoni liberando elettroni,
senza essere, di fatto, in grado di distinguere fra le
diverse lunghezze d’onda della luce. Una volta avvenuta
la “conversione” di fotone in elettrone, ogni informazione
sul colore del fotone che l’ha generato viene persa.
Dunque un sensore CCD, almeno allo stato attuale, è un
dispositivo rigidamente monocromatico ("vede" a livelli di
grigio) e genera una tensione elettrica variabile in
funzione della quantità di luce che lo raggiunge. Un
convertitore analogico/digitale fa poi il resto: la tensione
in uscita dal sensore CCD, trasmessa singolarmente per
ogni pixel di cui è formato il dispositivo di acquisizione,
viene convertita in formato numerico.
Maggiore è il numero di bit del convertitore,
maggiore sarà il numero di sfumature
effettivamente
riconosciute
durante
l'acquisizione.
I CCD A COLORI
Per aggiungere cromaticità alle immagini si può ricorrere
alla sintesi additiva. Attraverso una terna di filtri RGB e
un sensore CCD monocromatico siamo in grado di
riconoscere le singole componenti cromatiche primarie
dell'immagine acquisita. Ovvero, una volta nota per ogni
singolo pixel la quantità di rosso, di verde e di blu di cui la
porzione d'immagine è formata, abbiamo un quadro
piuttosto chiaro delle sue caratteristiche cromatiche.
Nella sua accezione più semplice l'acquisizione a colori
si riduce quindi ad effettuare tre singole esposizioni,
anteponendo all'obbiettivo di ripresa un filtro rosso,
un filtro verde e uno blu. Otteniamo in questo modo tre
immagini
monocromatiche
che,
opportunamente
ricombinate tra loro, ripropongono l'immagine a colori
corrispondente, o quasi, alla realtà.
I CCD A COLORI
Un sistema di ripresa organizzato in questo modo
crea diversi problemi. Primo tra tutti il fatto che
fotocamera e soggetto ripreso, durante le tre
esposizioni,
devono
rimanere
assolutamente
immobili. Per lo stesso motivo sarebbe impossibile
realizzare telecamere a colori a CCD singolo,
proprio in virtù del fatto che nulla è più
movimentato di una ripresa video. L'ostacolo delle
tre riprese successive si può aggirare più o meno
facilmente utilizzando tre singoli sensori CCD,
ognuno
filtrato
diversamente,
oppure
anteponendo ai singoli pixel una fitta rete di
microfiltri RGB.
I CCD A COLORI
L'immagine "letta" da un sensore
CCD
realizzato
con
questa
tecnologia è a colori. Per ogni punto
conosciamo sempre una delle tre
caratteristiche
cromatiche
primarie (il rosso, il verde, oppure
il blu) e le altre due possono essere
facilmente interpolate ricorrendo
ai pixel situati nell'intorno di
quell'area,
che
sicuramente
saranno filtrati anche secondo le
componenti cromatiche mancanti.
In figura sono presi due generici
pixel del sensore (A e B) ed è
schematizzata una basilare tecnica
di interpolazione, che tiene conto
solo ed esclusivamente dei punti
adiacenti.
I CCD A COLORI
Da segnalare che non è assolutamente casuale il fatto
che siano presenti più elementi filtrati in verde
rispetto a quelli filtrati in rosso e in blu (i primi sono
esattamente il doppio dei secondi e dei terzi), in quanto
la regione del verde è quella di maggiore sensibilità
per il nostro apparato visivo ed è proprio in quella
"zona" dello spettro visibile che riusciamo a
riconoscere un numero maggiore di dettagli e di
sfumature.
Non si può generare un'immagine a colori da un singolo
sensore
CCD
microfiltrato,
senza
ricorrere
all'interpolazione
software.
E'
possibile,
però
minimizzare il problema ricorrendo ad uno schema di
funzionamento più sofisticato, come quello mostrato di
seguito.
I CCD A COLORI
Si
basa
sull'utilizzo
di
pixel
rettangolari,
di
dimensione
esattamente pari alla metà dei punti
immagine che intendiamo acquisire.
Secondo lo schema in figura, per ogni
pixel della nostra immagine conosciamo
il valore di due delle tre componenti
cromatiche primarie, mentre quattro
pixel nel suo intorno possono fornire
informazioni circa la terza. Ad esempio,
del pixel A conosciamo esattamente la
quantità di rosso e di blu di cui è
composto, mentre dai pixel identificati
con la lettera B possiamo interpolare la
componente verde. Lo stesso accade
per il pixel C, di cui è nota la quantità di
rosso e di verde, mentre il blu possiamo
interpolarlo
dai
quattro
pixel
identificati dalla lettera D.
I CCD A COLORI
Ma il vero "salto di qualità" si ha
eliminando
del
tutto
o
minimizzando
al
massimo
il
meccanismo
di
interpolazione
software dei punti colore. In
questo caso, se non intendiamo
effettuare più esposizioni con
differenti filtri, è necessario
ricorrere a 2 o a 3 sensori CCD
utilizzati insieme. In figura è
mostrato
uno
schema
esemplificativo di una fotocamera
digitale basata su due sensori
CCD, nonché la soluzione di 3
sensori
CCD,
uno
per
componente primaria di sintesi
additiva.
I CCD A COLORI
E' evidente che nell'ultimo caso
(3 CCD) non è necessario
compiere alcuna operazione di
interpolazione
software
di
natura cromatica, in quanto di
ogni pixel della nostra immagine
conosciamo esattamente ognuna
delle tre componenti cromatiche
che identificano il rispettivo
colore.
Più interessante, dal punto di
vista matematico, la situazione
della coppia di sensori CCD, il
cui schema di interpolazione è
mostrato a lato.
I CCD A COLORI
Dei due CCD disponibili (di pari risoluzione grafica), ad
uno è demandato il compito di leggere tutti i pixel verdi
dell'immagine, mentre l'altro si occupa delle componenti
rosso e blu, secondo lo schema a scacchiera mostrato. E'
evidente che in questo caso di ogni punto conosciamo
sempre esattamente due componenti cromatiche e solo la
terza dovrà essere interpolata.
Ad esempio, del pixel A è noto il verde e il rosso (il blu è da
interpolare), mentre del pixel B conosciamo il verde e il blu,
lasciando al software il calcolo della componente rossa.
Anche in questo caso la predominanza di pixel verdi (che
essendo presenti sul 100% della superficie non necessitano
di interpolazione alcuna) permette risultati interessanti in
termini di risoluzione finale.