I sensori digitali

La fotocamera digitale contiene un sensore immagine al posto della pellicola, capace di convertire la luce in carica elettrica e di tradurla in segnali elettronici.

Un sensore digitale è una matrice di svariati milioni di pixel. Ogni pixel è un recettore di fotoni e il processore della fotocamera calcola quanti fotoni sono stati catturati da ogni pixel, per tutti i pixel della matrice. Il risultato di questo calcolo viene tradotto in livelli di intensità ovvero in profondità di bit (da 0 a 255 per le immagini a 8-bit).

Il calcolo a quel punto non comprende ancora l’informazione sul colore, per cui sarebbe in grado di produrre solamente un’immagine in scala di grigi. Ecco il motivo per cui ogni pixel è rivestito di un filtro “Bayer” con uno dei tre colori primari (Rosso o Verde o Blu), in modo da far passare solamente le lunghezze d’onda corrispondenti:

La matrice dei pixel ricoperti di filtri Bayer diventa così una sequenza di righe R+G e G+B:

In una tale matrice (“matrice Bayer”), il numero di pixel dotati di filtro verde (G) è doppio rispetto ai pixel rossi (R) o blu (B), nalla proporzione 50% verde, 25% rosso, 25% blu:

e questo è voluto sia per ridurre il disturbo digitale, sia per rispecchiare il fatto che la visione umana è più sensibile al verde che al rosso o al blu. [I sensori Sigma Foveon e Sony non utilizzano una matrice Bayer, ma cercano di interpretare il valore dei colori primari per ogni singolo pixel.]

Il processore della fotocamera a questo punto applica un ulteriore algoritmo, chiamato “demosaicing“, attraverso cui estrae da ogni gruppo di 2×2 pixel (2 verdi + 1 rosso + 1 blu) informazioni aggiuntive sul colore, “mescolando” i valori netti dei tre colori primari e interpretando così il colore di quel dato quadrante.

I pixel presenti sul sensore non sono adiacenti, ma separati fra loro per ospitare altri dispositivi.

La densità di pixel sul sensore determina il valore in megapixel del sensore stesso.

CCD vs. CMOS

I sensori digitali appartengono a due famiglie tecnologiche differenti: CCD (Charged Coupled Device) e CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), entrambi costruiti a partire dagli studi di Savvas Chamberlain.

I CCD vengono prodotti con processi industriali più complessi rispetto ai CMOS e mostrano una migliore sensibilità alle luci basse, mentre in presenza di luci alte tendono a generare artefatti. I CCD generano comunque meno disturbi (noise) rispetto ai CMOS.

I CMOS vengono prodotti più a basso costo, dal momento che la tecnologia richiesta è più standard. I moderni CMOS approssimano le prestazioni dei CCD e consentono di essere maggiormente miniaturizzati. Il consumo energetico per far operare un CMOS è di 1/100 rispetto al quello necessario ad un CCD.

Attualmente, non è possibile affermare la superiorità di una tecnologia rispetto all’altra in senso assoluto, dal momento che ogni tipo ha punti di forza e svantaggi che lo rendono ideale in alcune situazioni fotografiche e meno in altre. E’ quindi ipotizzabile che entrambi rimarranno complementari per molto tempo.

Formato dei sensori digitali

Le fotocamere digitali reflex, a seconda della loro marca, fascia di prezzo, target di mercato, possono montare sensori digitali molto differenti. Esistono tre tipi fondamentali di sensori digitali, che si distinguono per le loro dimensioni:

• full-frame, cioè a pieno formato, di 36.0 x 24.0 mm, equivalenti al classico formato 35mm di 24x36mm;
• APS-H, 28.7 x 19.1 mm, pari a ca. il 63% del full frame (fattore 1.3X);
• APS-C, 22.5 x 15.0 mm, pari a ca. il 38% del full frame (fattore 1.6X).

Il “fattore” di moltiplicazione dei sensori più piccoli rispetto al full frame è noto come crop factor.

La dimensione del sensore determina la dimensione dell’immagine registrata. Una medesima scena viene registrata dai tre tipi di sensore nel seguente modo:

quindi con una riduzione del campo inquadrato rispetto a quello inquadrato in condizioni full-frame.

Se da un lato il campo inquadrato è minore, dall’altro lato il soggetto riempie di più un sensore piccolo rispetto al sensore full-frame. Questo significa che le proporzioni del soggetto rispetto al fotogramma sui diversi sensori sono differenti.

Per approfondimenti, si veda la pagina Obiettivi e sensori digitali.

 Canon’s Full-Frame CMOS sensors: the finest tools for digital photography (1.1MB).

Per citazioni