Guida ai sensori di immagine

La fotografia ha la magica capacità di conservare un momento nel tempo. La chiave di tutto questo è il sensore di immagine che è alla base di ogni fotocamera digitale. Proprio come la retina dell'occhio umano cattura la luce e la traduce in impulsi nervosi che il cervello può interpretare, il sensore cattura la luce e la converte in un segnale elettrico che viene poi elaborato per formare un'immagine digitale.

Qui diamo un'occhiata al funzionamento dei sensori di immagine ed esploriamo i diversi tipi di sensori di immagine utilizzati nelle fotocamere Canon.

• Le basi dell'imaging digitale
• Sensori CCD
• Sensori CMOS
• Sviluppi dei sensori CMOS
• Sensori DGO
• Il sensore SPAD
• Guida alle dimensioni del sensore

Con tutti i tipi di sensori, il processo di imaging inizia quando la luce attraversa l'obiettivo della fotocamera e colpisce il sensore. Il sensore contiene milioni di recettori di luce o fotositi, che convertono l'energia luminosa in carica elettrica. L'entità della carica è proporzionale all'intensità della luce: più luce colpisce un particolare fotosito, più forte è la carica elettrica che produce. (I sensori SPAD funzionano in modo un po' diverso; questo aspetto verrà ulteriormente approfondito in seguito).

Per catturare i colori e le informazioni sulla luminosità, i fotositi sono dotati di filtri colorati rossi, verdi e blu. Ciò significa che alcuni fotositi catturano l'intensità della luce rossa, altri l'intensità della luce verde e altri ancora l'intensità della luce blu.

I segnali elettrici provenienti da tutti i fotositi del sensore vengono trasmessi al processore di immagini della fotocamera, che interpreta tutte queste informazioni e determina i valori di colore e luminosità di tutti i singoli pixel (elementi dell'immagine) che compongono un'immagine digitale.

Se si scatta in RAW, questi dati vengono salvati, insieme alle informazioni sulle impostazioni della fotocamera, in un file RAW. Se la fotocamera è impostata per salvare le immagini in qualsiasi altro formato file (JPEG, HEIF o RAW+JPEG), l'ulteriore elaborazione avviene direttamente nella fotocamera, che in genere include la regolazione del bilanciamento del bianco, la nitidezza e la riduzione del rumore, oltre ad altri processi, a seconda delle impostazioni della fotocamera. Include anche la demosaicizzazione o il debayering, che calcola abilmente il valore corretto del colore RGB per ogni pixel (ogni singolo fotosito, ricordiamo, registra solo un colore - rosso, verde o blu). Il risultato finale è un'immagine digitale a colori completa, anche se, in realtà, se l'immagine è un JPEG, sono state scartate più informazioni originali catturate dal sensore che conservate.

Convenzionalmente si sente parlare del numero di megapixel (milioni di pixel) di un sensore, ma strettamente parlando il sensore non ha pixel, bensì sensori (fotositi distinti). Inoltre, non esiste una corrispondenza biunivoca tra i sensori nel sensore e i pixel nell'immagine digitale risultante, per tutta una serie di ragioni tecniche. È più accurato descrivere un sensore come dotato di un certo numero di "pixel effettivi", il che significa semplicemente che la fotocamera produce immagini o video con quel numero di megapixel. La fotocamera Canon PowerShot V10, ad esempio, ha un sensore da circa 20,9 MP in "pixel totali", ma una parte dei dati del sensore viene utilizzata per processi tecnici come la correzione della distorsione e la stabilizzazione dell'immagine digitale, con il risultato che la fotocamera PowerShot V10 produce video (con Movie Digital IS) a circa 13,1 MP e fotografie (che subiscono processi diversi) a circa 15,2 MP.

Esistono diversi tipi di sensori di immagine. La fotografia digitale è arrivata a metà degli anni '80 con l'introduzione dei sensori CCD (Charge-Coupled Device). Questi sensori sono stati i primi a rendere possibile l'acquisizione di immagini senza l'uso della pellicola, rivoluzionando la fotografia.

I sensori CCD sono composti da una griglia integrata di condensatori semiconduttori in grado di trattenere una carica elettrica. Quando la luce raggiunge il sensore, questi condensatori, che agiscono come singoli fotositi, assorbono la luce e la convertono in carica elettrica. La quantità di carica di ciascun fotosito è direttamente proporzionale all'intensità della luce che lo colpisce.

In un sensore CCD, la carica di ciascun fotosito viene trasferita attraverso la griglia del sensore (da cui il termine "Charge-Coupled") e letta in un angolo della matrice, nello stesso modo in cui l'acqua potrebbe essere passata lungo una catena umana. Questo metodo garantisce un elevato grado di qualità e uniformità dell'immagine, poiché ogni pixel utilizza lo stesso percorso per trasmettere il proprio segnale. Per questo motivo, la prima fotocamera digitale professionale di Canon, la fotocamera EOS-1D, lanciata nel 2001, aveva un sensore CCD da 4,15 MP. Tuttavia, questo processo è anche più dispendioso in termini di energia rispetto a quello dei sensori CMOS.

Nel 2000, Canon ha introdotto il suo primo sensore CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) nella fotocamera EOS D30 da 3,1 MP. A differenza del sensore CCD, che trasferisce le cariche attraverso il sensore a un singolo nodo di uscita, un sensore CMOS contiene più transistor in ogni fotosito, consentendo l'elaborazione delle cariche direttamente nel sito. Questo comporta diverse implicazioni.

Per cominciare, i sensori CMOS richiedono meno energia, rendendoli più efficienti dal punto di vista energetico. Inoltre, sono in grado di leggere le cariche elettriche molto più rapidamente, il che è fondamentale per catturare sequenze ad alta velocità. Inoltre, i sensori CMOS condividono la stessa struttura di base dei microprocessori per computer, il che consente una produzione di massa a un costo inferiore, incorporando funzioni aggiuntive come la riduzione del rumore e l'elaborazione dell'immagine direttamente sul sensore.

Tutte le fotocamere mirrorless del sistema EOS R di Canon sono dotate di sensori CMOS, così come le fotocamere reflex digitali EOS, Cinema EOS e PowerShot.

La tecnologia dei sensori CMOS ha continuato a evolversi. Un'innovazione sviluppata da Canon è la tecnologia Dual Pixel CMOS AF, che consente a ciascun pixel del sensore di essere utilizzato sia per le immagini che per la messa a fuoco automatica, ottenendo prestazioni AF più rapide e precise.

Nel 2020 è stata introdotta una versione avanzata: Dual Pixel CMOS AF II. Questo sistema include la tecnologia iTR (Intelligent Tracking and Recognition) di EOS, un sistema di rilevamento e tracciamento del soggetto che sfrutta l'intelligenza artificiale basata sul deep learning. La tecnologia Dual Pixel CMOS AF II è ora ampiamente utilizzata nel sistema EOS R e nella gamma Cinema EOS, migliorando la velocità, la precisione e la copertura della messa a fuoco automatica, sia per le foto sia per i video, in modelli come EOS R7, EOS R6 Mark II e EOS C400.

Nel 2024, il sistema Dual Pixel Intelligent AF, introdotto per la prima volta nelle fotocamere EOS R1 e EOS R5 Mark II, ha perfezionato ulteriormente le capacità di rilevamento e tracciamento, introducendo la modalità Action Priority AF, che consente alla fotocamera seguire automaticamente le azioni tipiche di alcuni sport, spostando il fuoco nell'area in cui si sta verificando l'azione.

In EOS R1, la messa a fuoco automatica è stata ulteriormente perfezionata con i punti AF a croce, che consentono di rilevare la differenza di fase non solo in verticale, come altri sistemi AF, ma anche in orizzontale. Questa maggiore sensibilità si traduce in una migliore precisione della messa a fuoco e in una maggiore velocità in situazioni di scarsa luminosità e basso contrasto, oltre a prestazioni AF ancora più stabili nella modalità di scatto continuo.

Un altro sviluppo nella tecnologia CMOS di Canon è il sensore stacked retroilluminato utilizzato in EOS R1, EOS R5 Mark II e EOS R3. Questo design colloca i fotodiodi al di sopra dello strato di transistor per migliorare le operazioni di cattura della luce, con conseguente riduzione del rumore e una migliore qualità dell'immagine. Inoltre, la struttura stacked consente una lettura dei dati più rapida, contribuendo alle prestazioni ad alta velocità della fotocamera.

Sia EOS R1 che EOS R5 Mark II sono dotate della tecnologia DIGIC Accelerator, che aumenta la capacità della fotocamera di elaborare una maggiore quantità di dati. In combinazione con il sensore stacked retroilluminato ad alta velocità, la tecnologia DIGIC Accelerator abilita una serie di funzionalità avanzate, come velocità dell'otturatore elettronico più elevate, registrazione simultanea di foto e video e una notevole riduzione della distorsione da rolling shutter rispetto ai modelli precedenti.

Una tecnologia del sensore simile è utilizzata anche in alcune fotocamere Cinema EOS. EOS C80 e EOS C400 sono dotate di sensori CMOS full frame retroilluminati (BSI) da 6K, che offrono prestazioni superiori in condizioni di scarsa illuminazione rispetto ai sensori illuminati dal lato anteriore. Oltre a garantire 16 stop di gamma dinamica e a ridurre al minimo il rumore, la rapida velocità di lettura del sensore BSI minimizza la distorsione da rolling shutter.

La ricerca e lo sviluppo del sensore CMOS di Canon sono in corso. Un risultato è un sensore CMOS full frame da 35 mm ad altissima sensibilità, con fotorecettori molto più grandi (circa 7,5 volte le dimensioni di quelli dei sensori precedenti). I fotorecettori più grandi sono in grado di catturare una maggiore quantità di luce, in questo caso raggiungendo una sensibilità pari a 4 milioni di ISO, consentendo alla fotocamera di catturare immagini a colori vivaci di ambienti molto scuri. Questa tecnologia è utilizzata nella videocamera Canon ME20F-SH con scarsissima illuminazione.

Canon ha inoltre sviluppato un sensore ad altissimo numero di pixel, utilizzando tecniche avanzate di miniaturizzazione per ridurre le dimensioni del fotosito. Ciò consente di acquisire immagini ad altissima risoluzione, con un numero di pixel fino a 250MP. In un'immagine realizzata con questa tecnologia, è possibile distinguere le scritte di un aereo in volo a 18 km di distanza e ottenere una risoluzione circa 30 volte superiore a quella di un video 4K. Questo ha un grande potenziale per le applicazioni di videosorveglianza, osservazione astronomica e imaging medicale.

Un punto debole degli attuali sensori CMOS è che, per ragioni tecniche, tra cui la larghezza di banda dei dati, i dati vengono letti in sequenza anziché tutti insieme. Ciò comporta problemi come la distorsione causata dal rolling shutter di soggetti in rapido movimento che hanno cambiato posizione durante la lettura dell'inquadratura. Tuttavia, il design avanzato del sensore CMOS stacked retroilluminato utilizzato in fotocamere come EOS R1 e EOS R5 Mark II consente velocità di lettura molto più elevate, riducendo significativamente questo problema. Nella fotocamera EOS R1 la distorsione da rolling shutter è quasi completamente eliminata, con una riduzione del 40% rispetto al sensore CMOS a lettura rapida già presente in EOS R3.

Canon sta studiando attivamente altre soluzioni come la tecnologia "global shutter", che consente la lettura dell'intero sensore in un colpo solo, ma questa tecnologia è molto complessa, aggiunge rumore dell'immagine e costi, senza produrre risultati di alta qualità.

Il sensore DGO (Dual Gain Output) è un sensore di immagine avanzato utilizzato nelle videocamere professionali Canon EOS C300 Mark III e EOS C70.

Il sensore DGO di Canon funziona leggendo ogni pixel a due diversi livelli di amplificazione, uno alto e uno basso, e poi combinando queste due letture in un'unica immagine. La lettura ad alta amplificazione è ottimizzata per catturare dettagli fini nelle zone d'ombra, riducendo al contempo il rumore. La lettura a bassa amplificazione è progettata per mantenere e riprodurre accuratamente le informazioni contenute nei punti salienti. La combinazione di questi elementi produce un'immagine con una gamma dinamica più ampia, che mantiene più dettagli e presenta meno rumore rispetto alle immagini ottenute con tecnologie di sensori convenzionali.

La tecnologia DGO non consuma più energia di un sensore convenzionale ed è anche compatibile con il sistema Dual Pixel CMOS AF di Canon e con la stabilizzazione elettronica dell'immagine, offrendo una messa a fuoco automatica veloce e affidabile e un'immagine incredibilmente stabile.

I sensori CCD e CMOS misurano l'intensità della luce - in altre parole, quanti fotoni raggiungono il sensore in un intervallo di tempo prestabilito. I sensori SPAD (Single Photon Avalanche Diode) funzionano in modo diverso, sfruttando l'effetto a "valanga" dei semiconduttori. Quando un fotone colpisce il sensore, viene generato un elettrone, che attiva una reazione a catena o "valanga" della produzione di elettroni. Questo effetto a cascata fa fluire istantaneamente una corrente elevata che viene letta come un segnale di tensione sotto forma di un treno di impulsi corrispondenti ai singoli fotoni.

Questa esclusiva tecnologia di rilevamento della luce consente ai sensori SPAD di ottenere prestazioni incredibili in condizioni di scarsa illuminazione. Utilizzando l'eccezionale sensore SPAD, Canon ha sviluppato MS-500, un'innovativa fotocamera con obiettivo intercambiabile in grado di realizzare riprese a colori ad alta definizione in condizioni di scarsissima illuminazione, persino in condizioni di oscurità quasi totale di un ambiente notturno.

Inoltre, l'innesto a baionetta di MS-500 per un obiettivo broadcast da 2/3'' consente alla fotocamera di utilizzare l'ampia gamma di obiettivi broadcast Canon, con le loro eccellenti prestazioni ottiche da super teleobiettivo. Ciò significa che la fotocamera è in grado di ottenere soggetti a diversi chilometri di distanza, anche se non illuminati, rendendola una risorsa preziosa per la sicurezza, la videosorveglianza e un'ampia gamma di applicazioni scientifiche.

È chiaro che il numero di megapixel di un sensore (che si tratti di pixel totali o effettivi) non è tutto. Le dimensioni fisiche del sensore sono un fattore importante. I sensori APS-C sono fisicamente più piccoli dei sensori full frame, il che significa che anche se il numero di pixel è identico, una fotocamera con un sensore full frame dovrebbe offrire una gamma dinamica più ampia e prestazioni migliori in condizioni di scarsa illuminazione; se ha lo stesso numero di megapixel ma su un'area più ampia, ha fotositi più grandi, che saranno in grado di catturare più luce. Questo rende le fotocamere full frame come EOS R3 e EOS R5 Mark II la scelta preferita dai professionisti, in particolare da coloro che realizzano scatti di paesaggi, architettura o ritratti.

Al contrario, poiché i sensori APS-C sono più piccoli, il soggetto riempirà una parte maggiore dell'inquadratura rispetto a quella che occuperebbe se si utilizzasse lo stesso obiettivo con le stesse impostazioni su una fotocamera full frame; di fatto, un sensore APS-C aumenta la portata dell'obiettivo. Nelle fotocamere Canon, il "fattore di ritaglio" è di circa 1,6x, il che consente di ottenere una lunghezza focale effettiva 1,6x superiore a quella dello stesso obiettivo su una fotocamera full frame. Questo consente a un obiettivo da 50 mm, ad esempio, di avere il campo visivo di un obiettivo da 80 mm (50 x 1,6 = 80). Ciò significa che le fotocamere APS-C sono adatte a un'ampia gamma di utilizzi, tra cui la fotografia naturalistica e di strada. Inoltre, grazie al sensore più piccolo, le fotocamere APS-C come EOS R50 e EOS R10 sono più piccole e leggere rispetto alle loro controparti full frame, il che le rende un'ottima opzione per scatti di viaggi o naturalistici.

Alcune videocamere utilizzano sensori Super 35 mm (area attiva di circa 24,6 x 13,8 mm, in base all'impostazione della risoluzione), leggermente più grandi di quelli APS-C (22,2 x 14,8 mm) ma comunque meno della metà dell'area del full-frame (36 x 24 mm). Sono ampiamente utilizzati nell'industria cinematografica grazie al loro equilibrio tra costo, qualità dell'immagine ed effetto cinematografico (con una profondità di campo ridotta). Le videocamere e altri tipi di fotocamere utilizzano una serie di sensori di altre dimensioni, come il sensore CMOS stacked da 1" e 20.1 megapixel della fotocamera compatta PowerShot G7 X Mark III e il sensore CMOS da 11,7 MP e 1/2,3 di PowerShot PX.

La scelta della dimensione del sensore dipende in gran parte dalle esigenze di ripresa e dal budget. Ciascuna dimensione del sensore offre vantaggi distinti e comprenderli può aiutarti a selezionare la fotocamera giusta per le tue esigenze specifiche. Tuttavia, puoi capire perché la standardizzazione sui "pixel effettivi" fornisce una misura più semplice per confrontare diverse fotocamere e diverse tecnologie!