L’efficienza quantica di un sensore fotografico: cos’è?

Blue Journey Astrophotography - Cos'è l'efficienza quantica

Uno dei parametri più importanti dei sensori fotografici è sicuramente l’efficienza quantica. Questa, talvolta messa in secondo piano, costituisce il primo requisito di una buona astrofotografia ed è sinonimo di un ottimo sensore fotografico. E’ arrivato il momento di saperne di più. Scopriamone tutti i segreti! Come al solito cominciamo con…

 

Cosa è l’efficienza quantica?

Queste due parole potrebbero trarre in inganno. Sembra quasi che si parli di fisica teorica piuttosto che di fotografia. Vi assicuro che il concetto di efficienza quantica è estremamente facile da capire quanto importante.

Partiamo da qualcosa di semplice. Ogni strumento di misura è impreciso. La vostra macchina fotografica, il vostro CCD o il vostro CMOS raffreddato da 32 celle di Peltier è, lo vogliate o meno, uno strumento che misura in maniera più o meno precisa i fotoni incidenti. Esso infatti cattura luce e restituisce dei numeri in ogni pixel che sono proporzionali alla luce catturata.

Purtroppo, nessuno dei sensori a noi umani disponibile, è in grado di misurare esattamente tutta la luce incidente. Questo che vuol dire? Che solamente una parte dei fotoni incidenti viene realmente registrata. Questa è l’efficienza quantica. Per definirla in maniera più formale potremmo dire che: l’efficienza quantica è quella aliquota di energia incidente (o se preferite luce) che riesce ad essere registrata dal sensore di acquisizione.

Blue Journey Astrophotograpy - Efficienza quantica sensore

A sinistra la luce proveniente dalla scena, a destra l’energia perduta e quella che procede verso l’elettronica. In questo esempio non molto diverso dalla realtà la luce perduta corrisponde a circa 1/3 della luce incidente. Non poco eh?!

ESEMPIO: Supponiamo di avere tra le mani un sensore con un’efficienza quantica del 70%. Ipotizziamo, ancora, che ci siano 100 fotoni che viaggino verso il sensore. Di questi 100, solamente 70 verranno acquisiti. Il resto andrà totalmente perduto e non verrà mai registrato dalla camera.

 

Gli effetti dell’efficienza quantica nella fotografia

Capiamo quindi che l’efficienza quantica è un parametro fondamentale del sensore di acquisizione. Possiamo avere tutti gli obiettivi velocissimi (molto aperti: f2, f1.8, ecc…) che vogliamo, ma senza un sensore efficiente, sprecheremmo solo tanta luce. Questa è chiaramente un’esagerazione, ma mette in risalto il concetto di efficienza.

Blue Journey Astrophotograph - Efficienza quantica sensori

Cosa succede se il sensore ha il doppio dell’efficienza quantica? I tempi di esposizione possono essere dimezzati per ottenere la stessa quantità di segnale.

Facciamo un esempio. Supponiamo di avere due camere identiche, una con QE (Quantum Efficiency) del 35% e l’altra con QE del 70%. A parità di tempo di esposizione, di ISO e di apertura la foto nella seconda camera conterrà esattamente il doppio di luce rispetto alla prima.

O se preferite: con una QE doppia, possiamo dimezzare il tempo di esposizione per ottenere lo stesso risultato. Quindi potremo scattare una foto con metà rumore termico ma con la stessa quantità di luce (segnale). Questo inizia ad essere molto allettante, non credete?

Ed è proprio questo l’indiscusso vantaggio dell’avere tra le mani un sensore con alta efficienza quantica. Questa ci permette di ridurre notevolmente i tempi di esposizione a parità di luce che vorremmo registrare. Insomma, per dirla breve: una camera più sensibile è ovviamente migliore. Minori tempi di esposizione significano: meno rumore termicominori problemi di autoguida, maggior numero di pose in una serata, sessioni fotografiche più corteecc. .

 

La variabilità spettrale dell’efficienza quantica

L’efficienza quantica varia da lunghezza d’onda a lunghezza d’onda. Ad esempio un CCD (o un CMOS) può avere una QE del 50% nel verde e poi averne solo il 25% nel rosso. Questo è del tutto normale. E’ una scelta del produttore ma anche un fattore costruttivo. Ad esempio, vi riporto qui sotto un grafico della QE (o se preferite risposta spettrale) di un sensore monocromatico molto diffuso nel mondo astrofotografico: il KAF-8300.

Blue Journey Astrophotography - KAF-8300 Mono Efficienza Quantica

Ogni sensore ha una risposta diversa in funzione della lunghezza d’onda che lo colpisce. La banda dell’H-alpha, sfruttatissima in astrofotografia, viene rilevata per il 47% dal KAF-8300 monocromatico.

Come leggere questo grafico? A 550 nm il mio sensore registra il 56% della luce incidente. E a 450 nm? Il 45%. E a 850 nm? Il 20%. Semplicissimo. E qui sotto abbiamo lo stesso sensore ma a colori (ovvero con una Matrice di Bayer). Il grafico è scomposto in 3 curve diverse perché il costruttore fornisce direttamente la trasmittanza del micro-filtro RGB (quanta luce passa attraverso il singolo filtro) moltiplicata per la QE.

Blue Journey Astrophotography - KAF-8300 efficienza quantica

Un sensore a colori è un sensore monocromatico sul quale viene installata una matrice di Bayer che permette il filtraggio delle bande RGB su ogni specifico pixel. Ovviamente questo filtraggio comporta un’ulteriore perdita del segnale incidente.

Come leggerlo? A 550 nm il sensore potrebbe registrare il 56% della luce, ma essendoci il filtro questa percentuale viene abbattuta a circa il 38%. Questo mette in evidenza anche la riduzione di luce che arriva al sensore in seguito all’installazione di una Matrice di Bayer (vedremo nel dettaglio cos’è la Matrice di Bayer nei prossimi articoli).

 

La variabilità spaziale dell’efficienza quantica

Un’ulteriore elemento di cui dobbiamo tenere conto quando scattiamo delle astrofotografie è la variabilità spaziale dell’efficienza quantica. In parole povere: l’efficienza quantica varia da pixel a pixel. Quindi, se supponiamo di fotografare una superficie perfettamente omogenea (e trascurando qualsiasi altro rumore) la nostra foto finale non sarà altrettanto omogenea. Ci saranno piccole variazioni tra pixel e pixel.

Blue Journey Astrophotography - Efficienza Quantica Flat Frame

Sul nostro sensore ogni pixel è diverso dall’altro, questo si traduce in piccole variazioni di sensibilità e quindi in altrettante piccole variazioni nella fotografia finale. A sinistra la fotografia di una scena uniforme così come ce la immaginiamo, a destra la foto reale. I valori oscilleranno attorno all’efficienza quantica dichiarata (Es.60%).

Questo effetto è fisiologico dei sensori e dipende dai processi produttivi del costruttore. Le differenze tra pixel e pixel sono davvero piccole ma come ben sapete in astrofotografia anche i più piccoli effetti si trasformano in gran brutte sorprese al momento dell’elaborazione dell’immagine.

E allora che possiamo fare? “Flat Frame” vi dice niente? Esatto, possiamo sfruttare i Flat per ridurre il più possibile questa disomogeneità nella risposta del sensore. Attraverso i Flat riusciremo a sapere quale pixel vede più dell’altro. Maggiore sarà il numero di Flat coinvolti nella calibrazione, più ci avvicineremo alla condizione ideale (affronterò questo argomento nel dettaglio in un prossimo articolo).

 

Conclusioni

Poco sopra ho fatto un esempio con un’efficienza quantica del 70%. Ahimè, come avrete potuto intuire questi numeri si trovano solo su CCD dal costo molto elevato (o nei più recenti e altrettanto discussi CMOS). Ad esempio, le reflex tradizionali hanno un efficienza quantica che oscilla tra il 30-50%. Significa che in ogni scatto che produciamo non è presente nemmeno metà della luce che effettivamente è arrivata dalla scena che stiamo inquadrando. Davvero poco se ci pensate!

Blue Journey Astrophotography -Quantum Efficiency Comparation

Una comparazione tra i sensori più utilizzati in astrofotografia. [Click per ingrandire]

E adesso vi invito a pensare a quanti vantaggi si potrebbero avere passando da una classica Reflex con QE 40% ad un sensore con QE 70-80%! Mi dispiace per le care reflex, ma… non ci sarebbero paragoni.

Siamo arrivati alla fine di questo articolo. Abbiamo capito l’importanza dell’efficienza quantica e quanto essa possa influire nella resa fotografica. Non possiamo agire in maniera diretta cercando di incrementare l’efficienza in qualche strano modo ma possiamo almeno uniformare tra loro le QE di tutti i pixel attraverso dei buoni Flat Frames! Meglio di niente, no?

E voi con quale sensore acquisite? Siete degli spreconi di luce o no? Spero vi sia tutto chiaro. In caso contrario, come sempre, non esitate a scriverci 😉

Alessio Vaccaro

Alessio Vaccaro is an amateur astrophotographer who has published in magazines such as BBC Sky at Night, Coelum, Ciel & Espace and AAPOD. In the free time he loves to learn new things about data science, business and life.

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