Il sensore delle macchine fotografiche digitali

Uno degli elementi più importanti di una macchina fotografica digitale è il sensore

Sensore CCD di una compatta

Il sensore è un elemento essenziale per la scelta della nostra macchina fotografica. È il sensore che cattura la luce e la converte in dati binari che vengono poi rielaborati fino alla visione della foto sul nostro display. I sensori variano sia per tecnologia - in continuo divenire - sia per dimensione. Concentriamoci sulla dimensione, perché più il sensore è grande più luce cattura e più particolare ci mostra.

Nelle macchine fotografiche compatte - dette anche “consumer” perché destinate ad un ampio pubblico generico e non specialistico - il sensore è molto piccolo: va dal micro 4/3” a 1/3" (4.8 x 3.6 mm) fino a 1/2.3" (6.17 x 4.55 mm).

Nelle mirrorless e nelle bridge il sensore va da 1/2.3” fino a 1″ (13.2 x 8.8 mm).

Nelle reflex il sensore è grande circa 22.3 x 14.9 mm nelle APS-C e 36 x 24 mm nelle full frame. Il sensore della mia Nikon D300, per esempio, è un APS-C (23.6 x 15.8 mm).

Più il sensore è grande, più pixel può ospitare. A parità di megapixel la differenza nelle dimensioni del sensore fa la differenza nella qualità dell’immagine. Facciamo un esempio. In una compatta da 10 megapixel con sensore 1/2.3” i pixel saranno più piccoli rispetto ad una reflex sempre da 10 megapixel, ma con sensore APS-C (22.3 x 14.9 mm). Ecco che ad ISO elevati avremmo un rumore minore nella reflex rispetto alla compatta.

Le diverse dimensioni del sensore

Nella foto qui sotto le differenti dimensioni del sensore nelle fotocamere Canon.

Le diverse dimensioni del sensore Canon

Sensori CCD, CMOS, filtro di Bayer

Uno dei filtri utilizzati nelle fotocamere digitali è il filtro Bayer.

In questo tipo di filtro - fissato a uno strato di fotosensori - abbiamo un filtro verde (uno su due), un filtro blu (uno su quattro) e un filtro rosso (uno su quattro). Il software della fotocamera analizza ognuno di questi tre filtri e ne ricava i valori medi (interpolazione cromatica).

Sensori a matrice CCD e CMOS

I sensori delle fotocamere digitali possono essere CCD (Charge Coupled Device, dispositivo ad accoppiamento di carica) o CMOS - questi ultimi chiamati anche APS, active pixel sensor. Il CCD fu realizzato nel 1969 presso i Bell Lab. Il sensore CMOS è invece più recente e viene sviluppato perché la sua minore grandezza rispetto al CCD.

Il principio di funzionamento è simile: il segnale luminoso (analogico) proveniente dall’esterno viene convertito in un segnale digitale. Ma mentre il CCD legge le cariche elettriche accumulate da ogni singolo sensore in modo seriale, i sensori CMOS possono svolgere più funzioni (come la misurazione dell’esposizione e l’autofocus). I CMOS inoltre hanno il vantaggio di lavorare ad un voltaggio più basso rispetto ai CCD.

Esiste poi un altro tipo di sensore CCD, detto a triplo strato, costituito da uno strato con filtro blu, uno con filtro verde e uno con filtro rosso. La misurazione del sensore avviene con un complesso sistema che misura quanto ogni colore penetra in profondità.

Sensore X-Trans e sensore Bayer senza filtro Low-Pass

Se la stragrande maggioranza delle fotocamere digitali ospita il filtro Bayer, la Fujifilm ha invertito le regole e inventato il suo sensore X-Trans.

Qual’è la differenza?

Se il filtro Bayer dispone i colori primari su in celle di 2 x 2 fotositi, il sensore X-Trans dispone i colori primari su celle da 6 x 6 fotositi. Il software che grazie ad algoritmi interviene sulla demosaicizzazione e successivamente ricrea i colori dell’intera scena, nel filtro Bayer (2 x 2 fotositi) può vantare un calcolo abbastanza semplice e quindi anche veloce da parte del processore della fotocamera; di contro, la ripetitività dello schema del filtro di Bayer può portare alla formazione di moirè e per questo motivo i filtri Bayer sono solitamente dotati di un filtro ottico passa-basso – OLPF, Low-Pass o anti-aliasing (AA) – che ha lo scopo di evitare questo effetto dovuto a onde ad alte frequenze presenti nelle immagini, a scapito di una leggera perdita di nitidezza – ma leggete poi più sotto per vedere come nelle ultime fotocamere Nikon il sensore Bayer sia senza filtro Low-Pass.

Sensore Bayer e X-Trans

Il filtro X-Trans dispone i filtri dei colori primari (RGB) in modo asimmetrico. Questo determina ua trama di pixel più irregolare, e anche l’eventuale rumore risulta più materico e compatto, simulando un pò l’effetto della vecchia pellicola analogica. Non è un caso che sulle fotocamere Fujifilm – anche per l’esperienza sulle pellicole di questa azienda – siano a disposizione varie simulazioni di pellicola – Classic Chrome, Astia, Velvia, Monocromo, etc.

Quale dei due filtri è il migliore? Ritengo che sia un fattore molto soggettivo, e in rete potete trovare molte discussioni e argomentazioni a riguardo. Per concludere vorrei invece parlarvi del sensore Bayer senza filtro Low-Pass. Per mia esperienza personale posso garantirvi che la differenza – ad esempio – di una foto scattata con una Nikon D300 con filtro Low-Pass e una Nikon D7100 è notevole. E in meglio. Maggiore nitidezza dei particolari e ottima resa del colore. Come è possibile evitare l’effetto moirè e i falsi colori nelle fotocamere con matrice Bayer ma senza filtro passa-basso? Prendo come buona la spiegazione che trovate nel sito di Nikon Italia:

Nelle fotocamere digitali, tuttavia, vengono sempre più spesso inseriti sensori con una risoluzione maggiore. Considerato che i sensori con una risoluzione maggiore contengono un numero superiore di pixel e un pixel pitch più ridotto, l'effetto moiré e falsi colori delle immagini viene attenuato. Questa riduzione dei rischi aumenta le possibilità di eliminare l'OLPF nelle fotocamere ad alta risoluzione e di sfruttare la maggiore nitidezza delle immagini.