Sensore o trasduttore

La parola “sensore” -come capita spesso nel mondo della tecnologia – è stata subito consacrata dall’uso. Sta ad indicare il dispositivo all’interno della telecamera che traduce l’immagine ripresa in un segnale video. 
Per questa sua opera di trasformazione viene a volte indicato anche con il termine di “trasduttore”. 
Le lenti .dell’obiettivo mettono a fuoco l’immagine su un piccolo schermo interno alla telecamera, dove si ha dunque una proiezione ottica delle figure inquadrate. Dietro questo piccolo schermo interno c’è il trasduttore vero e proprio; costituito di volta in volta da un tubo o da un sensore. Quando non si ha a che fare con un tubo, si dice che si sensore “a stato solido”. 
Il tubo catodico assomiglia moltissimo ad un televisore “alla rovescia”: un fascio di elettroni percorre lo schermo ‘leggendo” tutti i suoi punti, che sono più o meno luminosi a seconda dell’immagine che vi è proiettata. Questo fascio percorre la superficie più o meno illuminata, seguendo un percorso identico ma speculare a quello del fascio di elettroni che (sul televisore) dipinge l’immagine video. Inizia in alto a sinistra, percorre un certo numero di righe poste l’una sotto l’altra, finisce la lettura in basso a destra. Riprende a leggere in alto a sinistra, e così via. La comprensione del funzionamento del sensore è allo stesso tempo piu facile e più difficile. Più facile, perché il principio su cui si basa è elementare. Più difficile, perché non vi è nessun fascio 
elettronico che opera in sincronia con il fascio elettronico che dipeinge le immagini sul TV. 

Il fotodiodo è il componente elementare del sensore. Immginate che sia una celletta contenente un materiale dotato di una proprietà molto semplice: quando viene colpito da una certa quantità di luce, è possibile raccogliere in uscita una corrente diversa rispetto a quando è illuminato di più o di meno. 
(vedi figura 1) 

fig. 1 - Ecco la spiegazione del funzionamento di un fotodiodo. Un materiale (azzurro) lascia passare o non lascia passare la corrente (si veda la freccia dall'alto a sinistra), a seconda se viene o no illuminato (se viene colpito dalla luce come schematizzato a destra...)
ED ECCO L'EFFETTO: A sinistra si raccoglie una corrente che è proporzionale all'illuminazione del sensore. 
 
 

Più sono queste cellette, più si possono avere dei dettagli dell'immagine.  Esse costituiscono infatti i mattoni con i quali viene formata l’immagine elettronica; le aree elementari (pixel). 
Più cellette analizano l'immagine, più sarà possibile ricostruire un’immagine che punto per punto riporta gli oggetti e le persone riprese. 
Quello che importa ricordare, sono due cose: 

1-un fotodiodo emette una corrente proporzionale alla luce con cui viene colpito. 

2-E poi che un sensore è migliore quanto più sono numerosi i fotodiodi che racchiude. 

Quindi, in teoria meglio un sensore da 400.000 pixel che uno da 300.000, meglio uno da 1.000.000 di pixel (=fotodiodi) che uno da mezzo milione.
L'aumento del numero di pixel comporta un milgioramento della risoluzione, ma ha uno svantaggio: porta ad una perdita di luminosità. La stessa luce che entra dall'obiettivo viene suddivisa infatti in un milione di volte se deve illuminare un sensore da 1000000 di pixel. Viene suddivisa tra 300.000 volte se illumina 300.000 pixel. Detto in modo più corretto, il segnale di uscita è la somma dei singoli segnali emessi da ciascun pixel. Se ciascun pixel viene raggiunto da un milionesimo della immagine, darà meno segnale che quando la stessa luce cade solo su  300.000 pixel...
 
 

I Mos attivatori

Immaginiamo ora di avere davanti a noi 
questo rettangolo (sensore) contenente 
un certo numero di dispositivi che tra- 
sformano la luce in corrente (fotodiodi). 
E immaginiamo di proiettarvi sopra l’im- 
magine proveniente dalle lenti. Sul retro 
del sensore si creeranno tante piccole 
correnti, che saranno più o meno intense 
a seconda dell’area della luce, dell’inten- 
sità della luce che cade in ciascuno dei 
punti corrispondenti, ma sulla faccia 
anteriore. 
Queste correnti sono presenti contem- 
poraneamente e non costituiscono certo 
un segnale video in grado di pilotare il 
pennello elettronico del televisore. Oc- 
: corre “metterle in fila”, l’una dopo l’al- 
tra, in modo che istante dopo istante 
: passi al TV (o al videoregistratore) la 
corrente derivata da ciascun punto, e 
corrispondente alla luminosità dell’im- 
magine che l’ha generata. 
Questo è compito dei MOS, specie di 
transistor che funzionano come degli 
interruttori: agiscono contemporanea- 
mente su una fila verticale e una orizzon- 
tale di aree elementari. Combinando le 
due diverse direzioni sono in grado di 
attivare i singoli fotodiodi, abilitandoli uno dopo l'altro ad emettere la loro piccola corrente al momento opportuno. La figura  a lato illustra meglio di mille parole il principio di funzionamento su cui si basa questa “identificazione” del singolo fotodiodo. 
Vogliamo solo richiamare l’attenzione sulla grande velocità con cui le piccole correnti vengono generate e riprese al-l’interno del sensore, e quindi alla veloci-tà con cui lavorano questi transistor. Basti pensare che un’immagine video sul nostro teleschermo cambia completamente 25 volte al secondo, e che è costituita da 625 righe ciascuna. In ogni secondo vengono insomma dipinte oltre quindicimila righe, ciascuna delle quali porta con sé moltissime variazioni di corrente, per seguire le luci e le ombre di ciascuna immagine. 

La resa del colore

I fotodiodi sono microscopici. Ciascuno di essi misura 20 micron: qualcosa come 20 millesimi di millimetro. Oltre alla velocità incredibile con cui operano, questi dispositivi possono stupirci anche per le dimensioni ridottissime. Pensate che ciascuno di questi fotodiodi è “incappucciato” da un altrettanto microscopico filtro che rende possibile la resa dei colori. 
I fotodiodi sono ricoperti alternativamente da un filtro giallo, uno verde, uno ciano e uno bianco. Ciascuno di essi risponde in modo diverso ai singoli colori. Con un metodo noto a coloro che si occupano di fotografia (=è il motivo per cui da un negativo si ottengono foto di diverso colore) si ottiene il colore complementare a quello originario che è arrivato al filtro. Sottraendo il 
verde al ciano, ad esempio, si ottiene il blu; che è uno dei colori primari usati nel sistema televisivo. In pratica, vi sono MQS diversi, che sono in grado di emettere una certa corrente non tanto quando sono colpiti dalla luce, ma quando sono colpiti da luce di un certo colore. 
La corrente in uscita non ha naturalmente un proprio “colore”: quando si ha corrente da un certo diodo, significa che la luce era di un certo colore.
 

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Un dispositivo di questo tipo presenta sicuri vantaggi; non si spiegherebbe altrimenti il successo che ha riscosso. 
Proviamo ad esaminare brevemente i principali. 

La corsa verso la riduzione a tutti i costi delle dimensioni e peso delle telecamere ha trovato un prezioso alleato in questo dispositivo. E molto meno ingombrante del vecchio tubo catodico, e permette quindi apparecchi più compatti. 

Permette di eliminare alcuni disturbi molto fastidiosi presenti più o meno in tutti gli altri dispositivi. Ad esempio, i tubi economici (es. Vidicon) generano un “effetto cometa” insopportabile. I tubi migliori (Saticon, Newicon) hanno ridotto molto l’incohveniente, ma non l’hanno eliminato. Con i sensori a stato solido il problema è letteralmente scomparso. 

E' di accensione immediata. I tubi avevano bisogod i essere scaldati, e la telecamera doveva essere tenuta in stand-by 

E' più robusto a fronte degli urti e sollecitazioni meccaniche. 

Ha una durata superiore. I tubi tendono ad esaurirsi, i sensori pare abbiano uan durata 100 volte superiore. 

Fornisce prestazioni costanti. I tubi tendono a divenire meno sensibili, a cambiare la qualità del colore e in generale cambiare le performances. 

Da ultimo, una dei vantaggi più importanti: i sensori consumano molta meno corrente. Quindi, possono essere applicati su macchine più piccole  e meno pesanti (per via delle batterie più piccole) oppure offrono più ripresa a parità di batterie.