Il sensore d'immagine

Il sensore d'immagine è un trasduttore che converte  il segnale luminoso, proveniente dall'obiettivo, in un segnale elettrico. Il sensore può essere paragonato al piano di una scacchiera, dove ad ogni quadratino corrisponde un elemento fotosensibile. In realtà, sarebbe meglio parlare di una matrice di silicio di base x ed altezza y, dove ogni quadratino è univocamente individuato da una coppia di valori (coordinate), che ne definiscono la posizione.

Photosite

Il singolo elemento della matrice viene chiamato photosite e rappresenta il più piccolo dettaglio dell'immagine che può essere catturato dal sensore. Il photosite è un "luogo fisico" sulla superficie del sensore ed è costituito dall'elemento fotosensibile, dal filtro e dalla lente.

Elemento fotosensibile o Photodetector

L'elemento fotosensibile ha il compito di trasformare un flusso luminoso in un segnale elettrico. La conversione luce/corrente avviene per mezzo di un fotodiodo, che fornisce un valore di corrente proporzionale alla quantità di luce che lo investe e al tempo per cui vi rimane esposto (tempo di esposizione). Il dato catturato dal fotodiodo conterrà solamente le informazioni relative all'intensità luminosa e non al colore.

Filtro

L'immagine ottenuta utilizzando i dati provenienti dai photodetector è in bianco e nero. Per ottenere delle immagini a colori si ricorre all'utilizzo di particolari filtri (Filtro di Bayer), che oltre a catturare i livelli di luminosità, catturano anche le informazioni relative ai livelli cromatici. Il filtro  consiste in una griglia colorata  che sovrasta il sensore, ogni elemento della griglia viene fatto corrispondere ad un photosite ed è realizzato in modo da filtrare solo una determinata frequenza di colore. I colori utilizzati sono quelli primari del metodo RGB  il rosso (Red) il verde (Green) ed il blu (Blue). Grazie a questa griglia ogni photodetector catturerà l'informazione relativa ad un unica tonalità di colore, tale informazione, però, non basta a rappresentare il colore  di quel punto dell'immagine, esso infatti verrà ottenuto tramite interpolazione. In pratica, la griglia viene realizzata in modo che ogni filtro colorato risulti adiacente ad altri due filtri di colore diverso. Il colore di quel punto dell'immagine viene ottenuto grazie ad un particolare software, che tramite un processo, chiamato interpolazione, combina i livelli cromatici dei tre fotodiodi adiacenti e ne ottiene un colore nuovo, un po' come si faceva a scuola quando si mischiavano dei colori per ottenerne altri. Quindi per ottenere il colore di un pixel in realtà ne servono tre ed ecco spiegato il motivo per cui le telecamere in bianco e nero hanno una risoluzione maggiore di quelle a colori.

La lente

Il continuo progresso delle tecnologie di costruzione ha reso possibile la realizzazione di sensori che, a parità di dimensioni, possono contenere da qualche migliaio a qualche milione di photosite. Maggiore è il numero di photosite disposti sul sensore maggiore sarà la risoluzione dell'immagine ottenuta, di contro l'eccessivo affollamento riduce  la quantità di luce a disposizione di ogni elemento fotosensibile, il che pregiudica il funzionamento della telecamera in condizioni di scarsa luminosità. Per ovviare a questo problema ogni photosite è stato dotato di una microlente che amplifica la luce incidente sul photodetector. Questa tecnologia si chiama "on chip microlenses" ed è stata introdotta dalla Sony, ne è un validissimo esempio il sensore "Sony Super HAD" utilizzato sui propri prodotti da diversi fabbricanti di telecamere.

CCD e CMOS

Le tecnologie con cui vengono realizzati i sensori d'immagine sono prevalentemente due, CCD (Charge-coupled device), e CMOS (Complementary metal-oxide semiconduttor), non c'è un sensore che prevale sull'altro, ma le loro differenze li rendono più o meno utili per l'una o per l'alta applicazione. A favore dei sensori CCD possiamo dire che godono di maggiore luminosità e immunità ai disturbi, di contro sono costosi ed hanno un maggiore assorbimento di energia. I sensori CMOS sono meno costosi, hanno un ingombro ridotto e consumano molto meno dei loro rivali, di contro sono meno sensibili alla luce e meno immuni ai disturbi. I sensori CCD vengono preferiti per l'utilizzo in ambiente analogico mentre i CMOS vengono maggiormente adoperati nei sistemi digitali. Questa differenza d'impiego dipende dal modo in cui vengono letti i pixel, nei sensori CCD, infatti, i pixel vengono letti a gruppi, solitamente a righe, ed inviati ad un amplificatore che genera le famose linee TV, tipiche degli ambienti analogici. Nei sensori CMOS, invece, ogni pixel è dotato di una propria uscita e di un proprio amplificatore e viene acquisito ed elaborato in modo indipendente, caratteristica molto utile in ambiente digitale. Per quanto riguarda la risposta alla luce, possiamo dire che i sensori CCD sono molto più sensibili è stravincono nelle applicazioni in ambienti scarsamente illuminati, di contro, in ambienti fortemente illuminati, vanno facilmente in sovraesposizione rendendo l'immagine inutilizzabile. Difetti tipici delle immagini acquisite con sensori CCD sono l'effetto Blooming e l'effetto Smear. L'effetto bloomig è dovuto al "trabocco" dei fotorecettori, ossia, se all'interno dell'immagine c'è un punto fortemente illuminato i fotodiodi in corrispondenza di quel punto si caricano di fotoni più rapidamente degli altri e ad un certo punto traboccano, riversando l'eccesso di fotoni sui pixel adiacenti. Il risultato è un'immagine con una vasta area sovraesposta. Lo Smear, invece, è dovuto al modo con cui vengono lette le cariche, una carica prima di raggiungere l'amplificatore deve attraversare verticalmente tutto il sensore, se nell'immagine è presente un punto più luminoso le cariche transitando in quel punto si caricheranno ulteriormente generando sul monitor una linea verticale di colore chiaro. Nel sensore CMOS questi artefatti non sono riscontrabili, primo perché i fotorecettori non si caricano all'infinito e quindi non traboccano, secondo perché la lettura delle cariche non avviene a scorrimento verticale ma per ogni singolo pixel.

Sensori megapixel

Nella videosorveglianza tradizionale (analogica), la risoluzione, ossia la quantità di pixel distribuita sul sensore immagine, viene limitata dallo standard pal, che impone una risoluzione massima di 625 linee tv orizzontali, e dal fatto che la massima risoluzione ottenibile dalla conversione di un segnale video analogico in uno digitale è il formato D1 704X576 pixel, pari a 405.504 pixel. Nei sistemi di videosorveglianza Megapixel questi limiti sono stati ampiamente abbattuti e oggi possiamo avvalerci di sensori che, a parità di dimensione, possono contenere milioni di pixel. Per  esempio, a 2 Megapixel con 1920X1080 pixel, avremo 2.073.600 Pixel, oltre 5 volte la risoluzione di una telecamera normale con risoluzione D1. Nei sensori megapixel la stessa quantità di luce deve essere divisa su più fotodiodi, penalizzando così la luminosità dell'immagine  che risulterà complessivamente più scura. Per attenuare questo problema si fa ricorso a dei particolari obiettivi, detti megapixel, che lasciano passare una quantità maggiore di luce.

Dimensione dei sensori.

La dimensione del sensore d'immagine è rilevante ai fini della scelta dell'obiettivo, che deve essere delle stesse dimensioni o al massimo più grande. Dal punto di vista della qualità dell'immagine, a parità di risoluzione, il sensore di dimensioni maggiori sarà più sensibile alla luce, questa differenza scaturisce dalle differenti dimensioni dei photosite, che saranno più piccoli sul sensore con minore superficie. La maggiore sensibilità alla luce si traduce in immagini di migliore qualità anche in condizioni di scarsa illuminazione.

 

CCD 1" 2/3" 1/2" 1/3" 1/4"
Altezza [mm] 9,6 6,6 4,8 3,6 2,7
Larghezza [mm] 12,8 8,8 6,4 4,8 3,6

 

 

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