Capire i sensori CCD: cosa sono e come funzionano |

Sebbene nel 2025 i sensori CMOS siano dominanti sia nell'imaging scientifico che in quello consumer, non è sempre stato così.

CCD è l'acronimo di "Charge-Coupled Device" (dispositivo ad accoppiamento di carica) e i sensori CCD sono stati i primi sensori per fotocamere digitali, sviluppati per la prima volta nel 1970. Fino a pochi anni fa, le fotocamere basate su CCD ed EMCCD erano comunemente consigliate per applicazioni scientifiche. Entrambe le tecnologie sopravvivono ancora oggi, sebbene il loro utilizzo sia diventato di nicchia.

Il tasso di miglioramento e sviluppo dei sensori CMOS continua ad aumentare. La differenza tra queste tecnologie risiede principalmente nel modo in cui elaborano e leggono la carica elettronica rilevata.

Che cos'è un sensore CCD?

Il sensore CCD è un tipo di sensore di immagine utilizzato per catturare la luce e convertirla in segnali digitali. È costituito da una matrice di pixel sensibili alla luce che raccolgono i fotoni e li trasformano in cariche elettriche.

La lettura del sensore CCD differisce da quella del CMOS in tre aspetti significativi:

● Trasferimento di addebito: I fotoelettroni catturati vengono spostati elettrostaticamente pixel per pixel attraverso il sensore fino a un'area di lettura nella parte inferiore.
● Meccanismo di lettura: Invece di un'intera fila di convertitori analogico-digitali (ADC) che funzionano in parallelo, i CCD utilizzano solo uno o due ADC (o talvolta di più) che leggono i pixel in sequenza.

Posizionamento di condensatori e amplificatori: al posto dei condensatori e degli amplificatori in ogni pixel, ogni ADC ha un condensatore e un amplificatore.

Come funziona un sensore CCD?

Ecco come funziona un sensore CCD per acquisire ed elaborare un'immagine:

Figura: Processo di lettura per un sensore CCD

Al termine dell'esposizione, i sensori CCD spostano innanzitutto le cariche raccolte in un'area di memorizzazione mascherata all'interno di ciascun pixel (non mostrata). Quindi, una riga alla volta, le cariche vengono spostate in un registro di lettura. Una colonna alla volta, le cariche presenti nel registro di lettura vengono lette.

1. Compensazione della carica: Per iniziare l'acquisizione, la carica viene simultaneamente eliminata dall'intero sensore (otturatore globale).
2. Accumulo di carica: La carica si accumula durante l'esposizione.
3. Accumulo di carica: Al termine dell'esposizione, le cariche raccolte vengono spostate in un'area mascherata all'interno di ciascun pixel (chiamata CCD a trasferimento interlinea), dove possono attendere la lettura senza che vengano conteggiati nuovi fotoni rilevati.
4. Esposizione del fotogramma successivo: Con le cariche rilevate memorizzate nell'area mascherata dei pixel, l'area attiva dei pixel può iniziare l'esposizione del fotogramma successivo (modalità sovrapposizione).
5. Lettura sequenziale: Una riga alla volta, le cariche di ogni riga del telaio finito vengono spostate in un "registro di lettura".
6. Lettura finale: Una colonna alla volta, le cariche di ciascun pixel vengono trasferite al nodo di lettura per la lettura presso l'ADC.
7. Ripetizione: Questo processo si ripete finché non vengono conteggiate le cariche rilevate in tutti i pixel.

Questo collo di bottiglia, causato dal fatto che tutte le cariche rilevate vengono lette da un numero limitato (a volte uno) di punti di lettura, comporta gravi limitazioni nella capacità di elaborazione dei dati dei sensori CCD rispetto ai CMOS.

Pro e contro dei sensori CCD

Professionisti	Contro
Bassa corrente oscura in genere ~0,001 e⁻/p/s quando raffreddato.	Velocità limitata: velocità tipica di circa 20 MP/s, molto più lenta rispetto al CMOS.
I costi di binning su pixel vengono sommati prima della lettura, riducendo il rumore.	Un rumore di lettura elevato, pari a 5–10 e⁻, è comune a causa della lettura ADC a punto singolo.
Otturatore globale Otturatore globale vero o quasi globale nei CCD a trasferimento interlinea/frame.	Le dimensioni dei pixel più grandi non possono eguagliare la miniaturizzazione offerta dal CMOS.
Elevata uniformità dell'immagine Eccellente per l'imaging quantitativo.	Elevato consumo energetico Richiede più energia per lo spostamento della carica e la lettura.

Pro del sensore CCD

● Bassa corrente di buio: Come tecnologia intrinseca, i sensori CCD tendono ad avere una corrente di buio molto bassa, in genere dell'ordine di 0,001 e-/p/s quando raffreddati.
● Binning 'su pixel': Quando si esegue il binning, i CCD aggiungono cariche prima della lettura, non dopo, il che significa che non viene introdotto alcun rumore di lettura aggiuntivo. La corrente di buio aumenta, ma come notato sopra, questa è solitamente molto bassa.
● Otturatore globale: I sensori CCD "Interline" funzionano con un vero otturatore globale. I sensori CCD "Frame Transfer" utilizzano un otturatore "semi-globale" (vedere la regione "Mascherata" della Figura 45): il processo di trasferimento dei fotogrammi per iniziare e terminare l'esposizione non è realmente simultaneo, ma in genere richiede un tempo compreso tra 1 e 10 microsecondi. Alcuni CCD utilizzano un otturatore meccanico.

Contro dei sensori CCD

● Velocità limitata: la velocità di trasmissione dati tipica in pixel al secondo può essere di circa 20 Megapixel al secondo (MP/s), equivalenti a un'immagine da 4 MP a 5 fps. Questa velocità è circa 20 volte inferiore a quella di un CMOS equivalente e almeno 100 volte inferiore a quella di un CMOS ad alta velocità.
● Elevato rumore di lettura: Il rumore di lettura nei CCD è elevato, in gran parte dovuto alla necessità di far funzionare gli ADC a una velocità elevata per raggiungere una velocità utilizzabile dalla telecamera. Un valore compreso tra 5 e 10 e- è comune per le telecamere CCD di fascia alta.
● Pixel più grandi: Per molte applicazioni, pixel più piccoli offrono vantaggi. La tipica architettura CMOS consente dimensioni minime dei pixel inferiori rispetto ai CCD.
● Elevato consumo energetico: I requisiti di potenza per il funzionamento dei sensori CCD sono molto più elevati rispetto a quelli dei CMOS.

Applicazioni dei sensori CCD nell'imaging scientifico

Sebbene la tecnologia CMOS abbia guadagnato popolarità, i sensori CCD sono ancora preferiti in alcune applicazioni di imaging scientifico in cui la qualità, la sensibilità e la coerenza delle immagini sono fondamentali. La loro superiore capacità di catturare segnali in condizioni di scarsa illuminazione con rumore minimo li rende ideali per applicazioni di precisione.

Astronomia

I sensori CCD sono fondamentali per l'imaging astronomico grazie alla loro capacità di catturare la debole luce di stelle e galassie distanti. Sono ampiamente utilizzati sia negli osservatori che nell'astronomia amatoriale avanzata per l'astrofotografia a lunga esposizione, offrendo immagini nitide e dettagliate.

Microscopia e scienze della vita

Nelle scienze biologiche, i sensori CCD vengono utilizzati per catturare segnali di fluorescenza deboli o strutture cellulari sottili. La loro elevata sensibilità e uniformità li rendono perfetti per applicazioni come la microscopia a fluorescenza, l'imaging di cellule vive e la patologia digitale. La loro risposta lineare alla luce garantisce un'analisi quantitativa accurata.

Ispezione dei semiconduttori

I sensori CCD sono fondamentali nella produzione di semiconduttori, in particolare per l'ispezione dei wafer. La loro elevata risoluzione e la qualità di imaging costante sono essenziali per identificare difetti microscopici nei chip, garantendo la precisione richiesta nella produzione di semiconduttori.

Radiografia e imaging scientifico

I sensori CCD sono impiegati anche nei sistemi di rilevamento a raggi X e in altre applicazioni di imaging specializzate. La loro capacità di mantenere elevati rapporti segnale/rumore, soprattutto se raffreddati, è fondamentale per ottenere immagini nitide in condizioni difficili come la cristallografia, l'analisi dei materiali e i test non distruttivi.

I sensori CCD sono ancora rilevanti oggi?

Telecamera CCD Tucsen H-694 e 674

Nonostante il rapido sviluppo della tecnologia CMOS, i sensori CCD sono tutt'altro che obsoleti. Rimangono la scelta preferita per le applicazioni di imaging ad alta precisione e in condizioni di luce estremamente bassa, dove la loro ineguagliabile qualità d'immagine e le caratteristiche di rumore sono cruciali. In campi come l'astronomia dello spazio profondo o la microscopia a fluorescenza avanzata, le telecamere CCD spesso superano in prestazioni molte alternative CMOS.

Comprendere i punti di forza e di debolezza dei sensori CCD aiuta ricercatori e ingegneri a scegliere la tecnologia più adatta alle loro esigenze specifiche, garantendo prestazioni ottimali nelle loro applicazioni scientifiche o industriali.

Domande frequenti

Quando dovrei scegliere un sensore CCD?

I sensori CCD sono molto più rari oggi rispetto a dieci anni fa, poiché la tecnologia CMOS inizia a compromettere anche le loro prestazioni a bassa corrente di buio. Tuttavia, ci saranno sempre applicazioni in cui la loro combinazione di caratteristiche prestazionali, come qualità dell'immagine superiore, basso rumore e alta sensibilità, offre un vantaggio.

Perché le fotocamere scientifiche utilizzano sensori CCD raffreddati?

Il raffreddamento riduce il rumore termico durante l'acquisizione delle immagini, migliorandone la nitidezza e la sensibilità. Questo è particolarmente importante per l'imaging scientifico in condizioni di scarsa illuminazione e a lunga esposizione, motivo per cui molti dispositivi di fascia altafotocamere scientificheaffidatevi ai CCD raffreddati per risultati più puliti e precisi.

Cos'è la modalità di sovrapposizione nei sensori CCD ed EMCCD e in che modo migliora le prestazioni della fotocamera?

I sensori CCD ed EMCCD sono in genere in grado di "sovrapporre". Per le fotocamere con otturatore globale, questo si riferisce alla capacità di leggere il fotogramma precedente durante l'esposizione del fotogramma successivo. Ciò si traduce in un ciclo di lavoro elevato (quasi il 100%), il che significa che si perde poco tempo a non esporre i fotogrammi alla luce e, di conseguenza, si ottengono frame rate più elevati.

Nota: la modalità di sovrapposizione ha un significato diverso per i sensori delle tapparelle.

Per saperne di più sulle tapparelle, clicca qui:

Come funziona la modalità di controllo delle tapparelle e come utilizzarla