I Sensori Digitali

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] nella 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,in quanto i transistor nella tecnologia CMOS sono
comandati in tensione mentre nella tecnologia CCD sono comandati in corrente, d’altra parte la tecnologia CMOS è più lenta
rispetto alla 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.

Focale equivalente

Proviamo ora ad approfondire la questione cercando di fare chiarezza ed incominciamo
ad analizzare il seguente schema:

In alto troviamo il paesaggio da riprendere mentre in basso abbiamo schematizzato il nostro obiettivo con il suo punto focale
ed il piano dove le immagini vengono proiettate costituito dal sensore.
In rosso individuiamo il percorso dei raggi più esterni che arrivano su un sensore Full Frame.
In Blu rappresentiamo invece i raggi analoghi che colpiscono il più piccolo sensore APS-C.
La lunghezza focale reale (50mm) è analoga in tutti è due i casi.
Per una semplice questione geometrica l’angolo di campo ß è minore di quello alfa e quindi inquadra una porzione di paesaggio
inferiore malgrado l’obiettivo usato sia lo stesso.

Quindi, con una stessa lunghezza focale reale abbiamo obiettivi che inquadrano angoli di campo differenti a seconda
del tipo di sensore usato.
Nella tabella seguente possiamo valutare il variare dell’angolo di campo a seconda della grandezza del sensore e della
lunghezza focale reale dell’obiettivo utilizzato:
Per ottenere lo stesso angolo di campo di un ottica di 50mm di focale su un sensore APS-C dobbiamo usare un ottica
con lunghezza focale reale di 35mm (si dice che il 35mm sia un 50mm equivalente quando montato su una fotocamera APS-C).
Analogalmente per i piccoli sensori delle compatte. L’angolo di campo di un 50mm viene ottenuto con una lunghezza focale
reale di 10mm sul sensore 1/1,7″ e di 8mm su un sensore da 1/2,5″.
Visto che il formato fotografico standard è stato per lungo tempo il 35mm ancora oggi è diffusa la consuetudine di indicare
le focali degli obiettivi in termini di focale equivalente a tale formato.

Il rapporto fra le lunghezze focali di obiettivi che garantiscono lo stesso angolo di campo su formati differenti si chiama
come già detto “fattore di crop”.
In particolare il fattore di crop di un sensore APS-C è pari a 1,5 per i sensori APS-C delle Nikon,Sony, Fuji, Konika e
Minolta a 1,6 per i sensori delle reflex Canon infine a 1,7 per le reflex Sigma.
Quindi, ad esempio, un’ottica con lunghezza focale di 35mm montata su una reflex APS-C Nikon corrisponde ad un 50mm
(35×1,5=50) montato su una reflex Full Frame. Un teleobiettivo da 300mm su una reflex Full Frame
equivale (in termini di angolo di campo e quindi di “avvicinamento percepito” del soggetto) ad un teleobiettivo di 450mm
in formato APS-C (300×1,5=450).
Nella tabella trovate riassunto il valore della focale equivalente per i diversi sensori ed i relativi fattori di crop.
Per cui nelle pagine pubblicitarie del Mediaworld scoprirete che le compatte hanno
obiettivi zoom 35-430mm (Panasonic Lumix DMC-FZ8).
Sono valori che non indicano la lunghezza focale reale dell’obiettivo ma appunto quella equivalente al formato Full Frame 35mm.




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