CCD, CMOS, CMOS retroilluminati: a che punto siamo?

asi-vs-atik

Agli inizi degli anni ’90/fine anni ’80 sono comparse le prime ccd sul mercato (SBIG, etc), caratterizzate da sensori microscopici (conservo una bellissima Meade Pictor 416XT da ben 768×512 pixel, rigorosamente rettangolari), è iniziata la lenta rivoluzione per l’astronomia amatoriale, che ha portato la schiera degli astrofotografi ad ampliarsi moltissimo rispetto a 20 anni fa, oltre a consentire anche l’inizio delle possibilità di ricerche ad utilità scientifica dal giardino di casa.

All’inizio, come per tutte le nuove tecnologie, le CCD erano estremamente costose, ma poi piano piano, le dinamiche della produzione su scala industriale e vendita globale, hanno portato il costo ad un livello accessibile a molti.

Poi verso l’inizio degli anni ’10 hanno iniziato a diffondersi i sensori CMOS di medio formato sulle DSLR (prima erano presenti nelle webcam, ovviamente in risoluzioni basse, ricordate la Toucam?) e qui è iniziata la prima rivoluzione dopo il CCD, consentendo di impiegare con profitto le DSLR in astrofotografia. Un solo nome: Canon EOS 350D, una camera che ha segnato la storia della nostra passione. Però i CMOS erano caratterizzati da un discreto rumore, a differenza dei CCD. Ricordate quanti progetti per raffreddare le prime webcam modificate le reflex?  Nel frattempo i CCD hanno continuato il loro sviluppo, portando, ad oggi, la diffusione di un sensore in tantissimi modelli di diverse marche: il KAF-8300, che è stato il primo sensore CCD con una discreta risoluzione ad un costo accessibile.

Da pochi mesi hanno iniziato a comparire, nel mercato astronomico (prima hanno sempre fatto la loro comparsa in quello fotografico) i CMOS retroilluminati. Questa tipologia di sensori va ad equipaggiare alcuni modelli di camere raffreddate della ASI e della QHY. La caratteristica che sale subito all’occhio è il prezzo molto molto competitivo rispetto ad una risoluzione equivalente, ma CCD.

La domanda è: ne vale la pena di spendere per un CMOS retroilluminato, rispetto ad un CCD?

Prima andiamo a fare un piccolo riassuntino veloce veloce delle caratteristiche tecnico/costruttive di queste 3 tipologie di sensori.

Premesso che TUTTI i sensori hanno come elemento base e comune il fotodiodo (l’elemento sensibile che genera la carica elettrica quando colpito da un fotone), ecco le differenze principali.

CCD: è conoscenza diffusa che ha un basso rumore, questo perchè da quando il fotodiodo genera la carica elettrica, passa attraverso pochi nodi nel sensore, prima di arrivare al convertitore analogico/digitale che trasforma il segnale da analogico a, per l’appunto, digitale. Qui tutti i fotodiodi sono dedicati alla lettura della luce e l’uniformità del segnale generato è molto alta, per questo la qualità d’immagine è molto alta, con un basso rumore.

CMOS: qui ogni fotodiodo è accompagnato da un convertitore, che trasforma l’energia luminosa ricevuta da ogni fotodiodo in carica elettrica. Ma nel mezzo ci sono anche amplificatori di segnale, riduttori di rumore e circuiti di digitalizzazione che fanno uscire un segnale digitale dal sensore e non analogico come nei ccd. Il fatto che ogni fotodiodo genera una conversione porta ad avere una mancanza di uniformità nel segnale per ragioni prettamente statistiche, dato che la ripetibilità esatta di un’operazione non è mai standard al 100% (pensate a quanti pixel ci sono in un sensore..). Però il consumo di corrente è più basso rispetto ai ccd e..la produzione in scala industriale, unito al continuo sviluppo, ha portato ai risultati qualitativi che tutti oggi vediamo.

CMOS Retroilluminato: tralasciando il ccd retroilluminato che non ha importanza rilevante nella fascia consumer di riferimento per l’astrofilo, questi sensori sono l’evoluzione dei precedenti CMOS e secondo me sono il futuro per l’imaging estetico in astrofotografia.

Potete osservare come nei CMOS tradizionali  i fotodiodi siano sotto la circuiteria, mentre nei retroilluminati è posta sopra.

cmos vs cmos retroilluminato

Come l’illustrazione raffigura in modo, secondo me, efficace, nei CMOS tradizionali la circuiteria funge da diaframma, disperdendo una parte del segnale entrante. Nei CMOS retroilluminati, invece, la circuiteria è posta sotto i fotodiodi (lo stesso concetto si applica anche ai CCD retroilluminati).

Il risultato? nelle caratteristiche di molti sensori CMOS retroilluminati della Sony che equipaggiano camere ASI e QHY vediamo una Q.E. tra il 70% e l’80%. E’ un valore MOLTO alto per uno standard CMOS! Certo, le microlenti aiutano (ma anche il KAF 8300 le usa..), ma se incrociate Q.E., megapixel e costo della camera raffreddata….siamo tranquillamente al 50% del prezzo di una camera equipaggiata con sensore CCD di ultima generazione con risoluzione e Q.E. simile.

Ma come vanno le camere con CMOS retroilluminato rispetto alle CCD di ultima generazione?

Io inizierei a parlare nell’ambito Sony. Ho preso 2 dark di riferimento, da 5 minuti, eseguiti con una Atik 428ex ed una Asi 178MMC, entrambe con il TEC al 100%.

L’Atik 428ex è equipaggiata con un Sony ICX694 che ha una Q.E. di circa il 76% a 550nm. (link)

La Asi 178MMC invece monta un Sony IMX174, retroilluminato, che ha una Q.E. stimata intorno al 70-75% a 550nm.

I dark li vedete così come li apre nebulosity e poi una versione con un po’ di stretch, in modo da tirar fuori il rumore sottostante.

 

Atik 428ex

428ex_5m         428ex_5m_stretch

 

Asi 178MMC

178mmc_5m        178mmc_5m_stretc

Potete notare, nelle versioni con i livelli compressi, come il sensore CMOS retroilluminato abbia un rumore di fondo molto superiore rispetto al CCD. Però ci sono 800€ di differenza tra una camera e l’altra, oltre a qualche mpx di risoluzione. Tralascio la questione dimensione dei pixel.

Ok, il CMOS retroilluminato è più rumoroso e si sapeva, ma che succede se calibro l’immagine, come devo fare con qualsiasi CCD?

Ecco un jpg di M27 in OIII, calibrato con dark e bias e tirato solamente nei livelli al limite del rumore.

oiii_calibrato

Come potete notare il risultato è assolutamente apprezzabile, tenuto conto che la ripresa è stata fatta dal centro città, in ottobre, con il soggetto basso.

Il segnale del sensore CCD è ancora indiscutibilmente superiore, però calibrando le immagini, per fini di imaging estetico, a mio avviso i sensori CMOS retroilluminati sono una scelta fantastica per chi vuole una camera di ripresa raffreddata a basso costo e potersi divertire senza spendere una cifra.

I prezzi delle 2 camere: 1770€ per la Atik 428ex e 918€ per la ASI 178MMC.

In preparazione il test della ASI 178MMC, lo troverete sempre sul nostro blog!

Showing 2 comments

  1. Max

    non credo che la 178 sia BI, cmq il ccd è refrigerato e questa cmos no, è li tutta la differenza sul rumore di fondo, un CMOS raffreddato non BI è il 30-40% più sensibile di un CCD, mi riferisco alla Cmos 1600 rispetto al ccd 16200

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