Che cos’è un CCD (dispositivo ad accoppiamento di carica) e come viene utilizzato?

Per scattare digitalmente una foto, una fotocamera moderna deve catturare la luce e convertirla in informazioni digitali. Per fare ciò, una fotocamera richiederebbe un sensore che registri accuratamente e rapidamente i fotoni dall’ambiente.

Probabilmente sei già a conoscenza del sensore CMOS utilizzato negli smartphone e nelle fotocamere digitali di consumo. Ma sapevi che esiste un altro tipo di sensore che fornisce livelli più elevati di dettaglio e gamma dinamica? Questi sensori della fotocamera sono noti come CCD.

Quindi, cosa sono esattamente i CCD? Come funziona e come viene utilizzato? Parliamone.

Che cos’è un CCD (dispositivo ad accoppiamento di carica)?

Un CCD, o dispositivo ad accoppiamento di carica, è un sensore elettronico che converte la luce in segnali digitali attraverso cariche generate facendo rimbalzare i fotoni su un sottile wafer di silicio.

I CCD sono stati il ​​gold standard per i sensori delle fotocamere dall’inizio degli anni ’80 fino alla fine degli anni 2000. Questo perché intorno al 2010, i sensori CMOS hanno acquisito significative innovazioni tecnologiche che li renderebbero più economici da produrre come sistema su chip (SoC) pur avendo una qualità dell’immagine paragonabile a un sensore CCD.

Da quando il CMOS ha guadagnato popolarità, negli ultimi dieci anni è diventato raro vedere sensori CCD su smartphone e fotocamere. Tuttavia, i sensori CCD non sono esattamente obsoleti. Sebbene possano essere stati gradualmente eliminati dal mercato delle fotocamere consumer, i sensori CCD sono ancora il sensore preferito utilizzato in alcune aree della fotografia.

Applicazioni della tecnologia CCD in fotografia

Oltre ad essere costoso da produrre, il CCD presentava anche altri problemi che ne hanno causato la graduale eliminazione dal mercato di consumo. Ciò includerebbe il suo requisito di alta potenza, che è 100 volte superiore a quello che userebbe CMOS, e l’elaborazione lenta delle immagini, che è un problema quando si scattano foto a raffica e si girano video.

Nonostante tutti questi svantaggi, i CCD continuano a prosperare in varie applicazioni industriali e scientifiche che richiedono la visione artificiale. Ciò è dovuto al fatto che i CCD forniscono ancora immagini a basso rumore di qualità superiore richieste da queste aree della fotografia specializzata. Inoltre, il costo per l’acquisto e l’utilizzo di telecamere CCD non è davvero un problema per istituzioni e aziende ben finanziate.

Quindi, quali sono esattamente queste aree specializzate della fotografia che usano ancora il CCD? Scopriamolo di seguito:

Microscopia ottica

I CCD sono utilizzati in varie applicazioni di microscopia per osservare cibo, chimica, ingegneria e altre applicazioni in cui sono necessarie immagini nitide di oggetti microscopici. Un CCD viene scelto per la microscopia ottica perché può registrare oggetti con oltre 10 pixel con elevata sensibilità e bassi rapporti di rumore.

Fotografia spaziale

Scattare foto dello spazio è meglio farlo con le fotocamere CCD. Questo perché i sensori CCD hanno le più alte efficienze quantistiche, con conseguente basso rumore, alta gamma dinamica e migliore uniformità, tutti aspetti critici della fotografia spaziale.

Imaging nel vicino infrarosso

I CCD sono utilizzati in varie applicazioni di imaging industriale, una delle quali è l’imaging nel vicino infrarosso. Un sensore deve avere un assorbimento di fotoni altamente efficiente per eseguire l’imaging nel vicino infrarosso, poiché i fotoni infrarossi sono meno visibili dei fotoni regolarmente visibili. Poiché i CCD forniscono sensori altamente sensibili in grado di catturare meglio i fotoni infrarossi, vengono sempre utilizzati in queste applicazioni.

I CCD prosperano nello spazio della fotografia scientifica, industriale e medica principalmente grazie alle loro elevate efficienze quantistiche, alle immagini a basso rumore e all’elevato livello di uniformità. Ma in che modo esattamente i sensori CCD forniscono tali qualità? Dovrai prima imparare come funzionano i sensori CCD per capirlo meglio.

Come funziona un sistema CCD?

CCD è solo uno dei vari tipi di sensori per fotocamere. E proprio come altri sensori per fotocamere, i CCD catturano la luce e la convertono in segnali digitali, che vengono poi elaborati e visualizzati come pixel se visualizzati su un display elettronico come un monitor.

Sebbene tutti i sensori di imaging abbiano lo stesso compito di catturare l’analogico per produrre segnali digitali, la modalità o il processo necessario per raggiungere tali compiti sarebbe diverso da altri sensori.

Affinché un sensore CCD catturi le immagini, passa attraverso un processo in cinque fasi, che inizia con la conversione da luce a carica, l’accumulo di carica, il trasferimento di carica, la conversione da carica a tensione e quindi l’amplificazione del segnale. Esaminiamo il processo passo dopo passo:

Passaggio 1: conversione da luce a carica

Un sensore CCD cattura la luce consentendo ai fotoni (energia della luce) di rimbalzare su un sottile wafer di silicio che poi rilascia un elettrone. Un minuscolo condensatore caricato positivamente funge quindi da secchio che raccoglie e immagazzina gli elettroni rilasciati. Un’unità di questo sottile wafer di silicio sopra un minuscolo condensatore è nota come photosite.

Fasi 2 e 3: Accumulo di addebito e trasferimento di addebito

Un sensore CCD continua a raccogliere e immagazzinare tali elettroni fino alla chiusura dell’otturatore della fotocamera. Tutti gli elettroni immagazzinati dal condensatore sono ciò che fa la carica.

Quando l’otturatore della fotocamera si chiude, tutta la carica dei fotositi viene trasferita a un circuito del condensatore di rilevamento. Il trasferimento viene effettuato spostando le cariche orizzontalmente verso il bordo del sensore e poi verticalmente finché ogni carica non viene inviata al circuito del condensatore di rilevamento.

I sensori CCD utilizzano questo meccanismo di registro a scorrimento per trasferire la carica, mentre i sensori CMOS utilizzano la conversione della tensione locale e l’amplificazione del segnale. Sebbene ciò renda il CMOS il sensore più veloce, rende anche la loro uscita piuttosto rumorosa poiché il semplice numero di amplificatori locali crea rumore o artefatti in un’immagine. Al contrario, un CCD utilizza solo un circuito amplificatore per amplificare i segnali.

Un altro svantaggio dell’utilizzo dell’amplificazione locale ad alta velocità è che provoca irregolarità nelle immagini. I sensori CCD non hanno tali problemi a causa del loro processo lineare durante l’elaborazione delle cariche in ogni photosite.

Fasi 4 e 5: conversione carica-tensione e amplificazione del segnale

Le cariche analogiche inviate al condensatore di rilevamento vengono automaticamente convertite in tensioni che rendono i dati digitali grezzi utilizzati per creare immagini. Dopo la conversione da carica a tensione, i segnali digitali sono ancora troppo bassi per essere utilizzati da un processore.

Per potenziare i segnali digitali, viene utilizzato un amplificatore di segnale. Questo segnale amplificato viene quindi inviato a un processore di immagini che quindi assembla l’immagine.

I CCD sono qui per restare

Un tempo il gold standard per i sensori delle fotocamere digitali, i CCD sono ora interrotti per l’uso regolare da parte dei consumatori. Ma con le loro elevate efficienze quantistiche, l’imaging a basso rumore, la gamma dinamica più elevata e l’eccellente uniformità, i CCD sono ancora utilizzati in molte applicazioni scientifiche e industriali.

E sebbene sia improbabile che i produttori riportino sul mercato telecamere CCD di livello consumer nel prossimo futuro, i CCD continueranno a essere un punto fermo nella ricerca scientifica.