CCD E CMOS, IL CUORE DELLA TELECAMERA
Il cuore di una telecamera a circuito chiuso è sicuramente il sensore ottico ossia il componente posto dietro l'obiettivo dove la luce viene trasformata in segnale video.
Oggi esistono 2 tecnologie, entrambe largamente utilizzate nell'industria TVCC: CCD (abbreviazione di Charge Coupled Device) e CMOS (abbreviazione di Complementary Metal Oxide Semiconductor). Si tratta in entrambe i casi di invenzioni relativamente recenti (Anni 70) che hanno rivoluzionato il mondo delle telecamere, trasformandole da ingombranti e costosi apparati a sempre più compatti ed economici prodotti di consumo.
Sia il CCD che il C-MOS si basano su un componente elementare comune: il fotodiodo.Si tratta di un elemento fotosensibile in grado di generare una carica elettrica proporzionale alla quantità di luce che lo investe. CCD e CMOS sono piccole superfici composte da un numero elevato di fotodiodi anche detti pixel. Ciascun fotodiodo segnala la quantità di luce riferita alla sua posizione. Leggendo ed elaborando l'informazione di ogni pixel la telecamera è in grado di ricomporre l'immagine globale che si trova di fronte all'obiettivo.
Come funziona un sensore CCD in bianco e nero
Come abbiamo già visto nel tutorial relativo alla focale degli obiettivi, una telecamera dispone di una lente che è in grado di ricevere la luce esterna e ricreare un'immagine ribaltata in corrispondenza del suo punto focale. In questo punto viene posizionato il CCD.
Esso è composto da alcune centinaia di migliaia di microscopiche unità chiamate pixel ordinate su una precisa griglia che attribuisce a ciascuno una coordinata verticale ed una orizzontale.
Ogni pixel è in grado di reagire alla luce che lo investe immagazzinando una certa carica elettrica. La carica dei vari pixel viene letta in continuazione (con una cadenza variabile regolata dall'otturatore elettronico) da un circuito di processo del segnale, il quale si rende conto costantemente della quantità di luce che ha investito i vari pixel ed è in grado, su questa base, di ricreare un'immagine.
Come funziona un CCD a colori
Nel caso dei CCD a colori, la cosa si complica un po'.
Per realizzare un'immagine a colori non basta solo l'indicazione di quanta luce colpisca il CCD ma anche quella delle sue componenti cromatiche. Le telecamere da ripresa cinematografiche professionali utilizzano per questo scopo 3 CCD su ciascuno dei quali vengono proiettate le componenti di verde,rosso e blu dell'immagine separate attraverso un prisma. Questa soluzione è però molto costosa e non viene per questo utilizzata nelle telecamere a circuito chiuso. Viceversa si ricorre ad un espediente per permettere ad un solo CCD di rilevare i colori dell'immagine.
Per realizzare un CCD a colori viene posta sopra il sensore una griglia filtrante, dove ad ogni pixel corrisponde un filtro in grado di consentire il passaggio delle sole componenti verdi,rosse e blu.
Un esempio di griglia filtrante ha il numero dei filtri verdi è doppio rispetto ai filtri rossi e blu (25% blu,25% rossi,50% verdi) in quanto l'occhio umano è più sensibile a questa componente cromatica.
Quello che nel CCD in bianco e nero era un pixel, diventa nel CCD a colori piuttosto un'area di rilevazione, detta quadrante, composta da due pixels verdi uno rosso ed uno blu. Il circuito della telecamera non farà altro che mescolare queste componenti per ricavare il colore finale di quel quadrante.
Come avete visto, laddove il CCD in bianco nero utilizzava un pixel, il CCD a colori ne usa 4, ecco spiegato il motivo per cui le telecamere analogiche in bianco/nero fornivano mediamente una risoluzione più alta delle telecamere a colori a parità di pixel.
Come funziona un sensore CMOS
La differenza fondamentale fra un sensore CCD e un sensore CMOS sta nel modo in cui vengono lette la cariche dei singoli pixel.
In un sensore CCD i pixel vengono letti a gruppi, attraverso pochi nodi di uscita, per generare un segnale video analogico in tensione che eventualmente viene poi digitalizzato dalla telecamera.
In un sensore CMOS ogni pixel viene dotato di una propria uscita individuale per fornire un segnale video direttamente di tipo digitale.
Per questo motivo i sensori CCD vengono oggi più utilizzati dei CMOS per telecamere di tipo analogico, mentre i CMOS sono più adatti alla realizzazione di telecamere IP.
Meglio CCD o CMOS
Il CCD è stato per anni il sensore per eccellenza nelle telecamere TVCC di tipo analogico. In quei tempi il CMOS veniva visto come un parente povero da utilizzare solo per sistemi economici. Con l'avvento delle telecamere ad alta risoluzione megapixel, prima IP, poi HD-SDI e AHD, il CMOS si è rivelato più adatto alla realizzazione di sensori con elevato numero di pixel e ha oggi praticamente soppiantato il CCD in tutte le applicazioni TVCC.
La dimensione del sensore
Esistono sensori di varie dimensioni. Nella televisione a circuito chiuso si utilizzano sensori che vanno da 1" a 1/4". Ad esempio vediamo di seguito le dimensioni di alcuni comuni sensori.
| Sensore | 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 |
Le prime telecamere a circuito chiuso di tipo moderno, avevano CCD da 1". La necessità di miniaturizzazione di lenti ed elettroniche, nonchè la continua ricerca di abbattimento dei costi, ha portato l'industria a sviluppare gradualmente CCD e CMOS sempre più piccoli da 2/3",1/2" ed 1/3" fino ad 1/4"
Meglio sensori grandi o piccoli ?
In linea generale un sensore più grande dovrebbe essere in grado di fornire un'immagine migliore, mentre un sensore più piccolo dovrebbe costare di meno.
Ad essere obiettivi però questa regola non è tecnicamente corretta. L'evoluzione dell'elettronica costruita attorno al sensore è tale oggi da consentire di realizzare telecamere con sensore da 1/4" con risoluzioni e qualità anche superiori a telecamere con sensore da 1/3".
Pensiamo di dire una verità, se affermiamo che la dimensione del CCD o del CMOS non è più oggi un sinonimo di qualità di prodotto, ma piuttosto una scelta costruttiva del produttore della telecamera. Dal punto di vista dell'utilizzatore non cambia nulla.
La dimensione del sensore e l'obiettivo
Una cosa importante da considerare è la relazione fra il sensore CCD/COMS e l'obiettivo, in quanto ogni lente viene costruita per ricostruire sul punto focale un'immagine di una certa grandezza. Questa grandezza dovrebbe essere la stessa del sensore. Per questo esistono ottiche da 1/2", 1/3", 1/4" etc.
Se utilizzate una telecamera con sensore da 1/4" dovrete utilizzare una lente fatta per questo tipo di sensore, o al limite per un sensore più grande (es. 1/3"). Non potete invece utilizzare una lente da 1/4" su una telecamera con sensore 1/3"perché il risultato sarebbe un'immagine tondeggiante, con gli angoli neri arrotondati e con una sfocatura verso i bordi esterni dell'immagine.