Come sono fatti i sensori delle fotocamere? Qualche consiglio prima dell'acquisto

Digitale… digitale… digitale…, ma come sono costituiti i sensori delle fotocamere?

Il sensore di una macchina fotografica digitale svolge la medesima funzione della pellicola nelle macchine fotografiche tradizionali.

Sul sensore viene messa a fuoco, viene “catturata”, la scena ripresa dall’obiettivo prima di essere trasformata in dati digitali che saranno poi immagazzinati nella scheda di memoria della fotocamera.

Com’è fatto un sensore?

La superficie del sensore è ricoperta da una griglia di microscopici elementi chiamati photosite. Ogn’uno di questi photosite rappresenta un pixel della fotografia: quindi, una fotocamera che produce immagini di 20 milioni di pixel, avrà un sensore con una superfice ricoperta da circa 20 milioni di photosite.

(un sensore CCD di una reflex digitale)

Uno dei componenti fondamentali del photosite è il fotodiodo, il quale trasforma la luce in una carica elettrica: maggiore sarà la luce che colpirà il photosite e più intensa sarà la carica elettrica.

I photosite registrano i livelli di luce della scena catturata e li convertono in cariche elettriche di maggiore e minore intensità che sono poi amplificate e inviate a un convertitore che si occuperà della conversione da analogico a digitale.

I colori

I photosite registrano unicamente l’intensità della luce, ma non le sue differenti lunghezze d’onda, quindi non sono in grado di registrare i colori.

Per ottenere un’immagine a colori, fu ideato un sottilissimo filtro da applicare sullo strato dei fotodiodi, il Colour Filter Array (CFA), un mosaico di quadrati rossi, verdi e blu nel quale ogni singola tessera è ubicata sopra un fotodiodo, permettendo in tal modo a ogni singolo photosite di registrare le varie intensità di rosso, verde e blu.

(singolo Photosite)

(Colour Filter Array - I filtri di colore)

(RGB = red, green, blue: i tre colori della sintesi additiva dalla cui fusione si ottengono tutti gli altri colori).

Per permettere l’ottenimento di uno spettro di colori quasi completo, il sensore della macchina analizza colore e intensità di ogni photosite e li confronta con il colore e l’intensità dei photosite adiacenti, in maniera da interpolare e valutare colori quanto più precisi possibili per ogni pixel. Questo viene chiamato “processo di interpolazione”, e indica il modo con il quale ogni pixel dell’immagine finale mostrerà uno dei 16,7 milioni ci colori possibili.

Ultimato il processo d’interpolazione, prima di essere salvata sulla scheda di memoria, a seconda alle impostazioni e le potenzialità offerte dalla fotocamera, l’immagine viene sottoposta a ulteriori elaborazioni atte ad apportare migliorie ai colori e alle loro tonalità, a stabilire ottimali luminosità e contrasto e anche a donarle maggiore nitidezza.

I due principali tipi di sensore

Quasi tutti i modelli di fotocamere digitali utilizzano due tipi di sensore: il CMOS (complementary metal oxide semiconductor) e il CCD (charge-coupled device).

Questi due tipi di sensori sono molto simili e catturano entrambi l’immagine nella maniera sopradescritta; l’unica cosa che li differenzia risiede nel modo di processare le informazioni ricevute da ogni photosite.

(Sulla sinistra, un sensore CCD “accoppiato”  -  Sulla destra, un sensore CMOS ad amplificatori singoli per ogni photosite)

Un sensore CCD è caratterizzato da righe di photosite collegate, o “accoppiate”: una volta scattata la fotografia il valore di carica accumulato dal singolo photosite è trasmesso riga per riga per poi venire letto ad un angolo del sensore prima di essere eliminato.

I valori risultanti sono poi trasmessi ad un chip che provvede alla conversione analogico-digitale.

Un sensore CMOS possiede photosite muniti ogn’uno dei propri amplificatori e circuiti: il valore di carica può quindi essere letto dal singolo photosite e da qui venire direttamente trasferito al convertitore analogico-digitale.

Entrambi i sensori hanno i loro pro e i loro contro: il CCD, il tipo più diffuso tra i due, fino a poco tempo fa era considerato il migliore nel raccogliere la luce e nel produrre immagini di qualità più elevata. I CMOS erano più economici e necessitavano di minore energia per funzionare. Attualmente, grazie allo sforzo dei produttori, possiamo dire che le differenze qualitative tra i due tipi di sensore sono diventate impercettibili se non nulle.

Prima dell’acquisto di una fotocamera

Si spende molta, forse troppa attenzione sul numero dei pixel offerti dai vari modelli di fotocamere, ma, prima dell’acquisto di una fotocamera, bisognerebbe considerare anche un altro aspetto fondamentale, ossia le "dimensioni dei sensori", che influiscono enormemente sulla qualità delle immagini finali.

A volte capita di vedere sul mercato macchine fotografiche che offrono entrambi foto da 20 mega pixel, modelli anche con prezzi molto diversi tra loro, questo innanzitutto perché non vuol dire che due fotocamere in grado di produrre immagini di 20 megapixel siano necessariamente fornite da sensori di medesime dimensioni.

Sensori piccoli hanno photosite piccoli: per far entrare 20 milioni di photosite in un sensore molto piccolo i photosite devono per forza di cose avere dimensioni molto ridotte.

I photosite, più piccoli sono e minore sarà la loro sensibilità alla luce: non riescono a catturare le differenze tonali nelle aree più buie della scena e tendono a produrre molto “rumore”  soprattutto quando si utilizzeranno valori ISO elevati.

Un telefonino munito di fotocamera da 20 megapixel, per quanto avanzato sia, non riuscirà mai a produrre foto della qualità di una reflex da 16 megapixel con sensore 23,5 x 15,7 mm oppure meglio ancora di una reflex di 16 megapixel munita di sensore full frame (36 x 24 mm).

(Formati dei sensori)

Buone foto a Tutti!

Luigi Ventriglia