Sensori fotografici digitali
Un sensore fotografico digitale è un dispositivo elettronico che converte la luce in un segnale digitale. Ci sono diversi tipi di sensori fotografici, tra cui il sensore full frame e il sensore APS-C.
Il sensore full frame ha le stesse dimensioni di un fotogramma 35mm ed è quindi il più grande dei sensori fotografici digitali. Questo tipo di sensore ha una risoluzione più elevata e una maggiore sensibilità alla luce rispetto ad altri tipi di sensori. Tuttavia, il costo del sensore full frame è più elevato rispetto ad altri sensori.
Il sensore APS-C, invece, ha dimensioni più piccole rispetto al sensore full frame. Questo tipo di sensore è utilizzato principalmente nelle fotocamere di fascia media e ha una risoluzione più bassa rispetto al sensore full frame. Tuttavia, il sensore APS-C è anche più economico rispetto al sensore full frame.
La differenza tra i sensori 2:3, 4:3 e micro 4:3 sta nella forma del sensore stesso. Il sensore 2:3 ha un rapporto di 2:3 tra la larghezza e l'altezza del sensore, mentre il sensore 4:3 ha un rapporto di 4:3 tra la larghezza e l'altezza del sensore. Il sensore micro 4:3 ha dimensioni ancora più piccole e ha lo stesso rapporto di 4:3 tra larghezza e altezza del sensore. Questi tipi di sensori sono utilizzati principalmente nelle fotocamere mirrorless. I sensori di grande formato sono utilizzati in fotocamere professionali e sono ancora più grandi del sensore full frame. Questi sensori offrono una risoluzione ancora maggiore e una maggiore sensibilità alla luce rispetto ai sensori full frame, ma hanno anche un costo molto elevato.
In generale, i sensori fotografici digitali sono composti da milioni di pixel che convertono la luce in segnali digitali. Ogni pixel è costituito da un fotodiodo che assorbe la luce e la converte in una carica elettrica. Questa carica viene poi convertita in un segnale digitale che viene registrato sulla scheda di memoria della fotocamera.
Un sensore fotografico digitale è costituito da un array di fotodiodi, che sono i singoli pixel che compongono l'immagine. Ogni pixel del sensore è costituito da un fotodiodo, che è un componente elettronico che converte la luce in una carica elettrica.
I fotodiodi sono dispositivi elettronici che convertono la luce in una corrente elettrica. Questo avviene grazie alla presenza di un giunzione p-n all'interno del fotodiodo stesso, che separa due regioni del materiale semiconduttore con diversa polarizzazione elettrica. Quando la luce colpisce il fotodiodo, viene generata una coppia elettrone-lacuna (una lacuna è una "mancanza" di un elettrone nella regione p o n), che può essere raccolta da un elettrodo esterno. La corrente prodotta dipende dall'intensità della luce e dal tempo di esposizione.
Un pixel è la più piccola unità di immagine in un sensore fotografico digitale, ed è costituito da un singolo fotodiodo e da un circuito associato per la lettura e l'elaborazione del segnale elettrico prodotto dal fotodiodo. Il numero dei pixel corrisponde al numero totale di fotodiodi presenti nel sensore. In termini informatici, un pixel è rappresentato da una cella di memoria del sensore fotografico digitale, contenente un valore numerico che rappresenta l'intensità della luce registrata dal fotodiodo corrispondente. Il valore numerico assegnato ad ogni pixel dipende dal tipo di sensore fotografico e dalla quantità di bit utilizzati per codificare il valore dell'intensità luminosa. Ad esempio, un sensore fotografico che utilizza 12 bit per la codifica dell'intensità della luce può rappresentare un valore compreso tra 0 e 4095 per ogni pixel.
Inoltre, ogni pixel può avere un'associazione con altri pixel per la gestione del colore. In questo caso, vengono utilizzati filtri di colore RGB (Rosso, Verde e Blu) che separano la luce in questi tre colori primari, o filtri CYMK (Ciano, Giallo, Magenta e Nero) utilizzati principalmente in ambito di stampa. Ogni pixel può quindi contenere tre valori numerici corrispondenti alle intensità di luce registrate per i tre colori primari (o quattro valori nel caso di filtri CYMK). In fase di elaborazione dell'immagine, i valori numerici di ogni pixel vengono utilizzati per creare un'immagine digitale in formato raster, in cui ogni pixel è rappresentato da un punto dell'immagine e ogni punto corrisponde ad un valore di colore specifico. Questo processo viene chiamato "demosaicing" e consiste nella ricostruzione dell'immagine completa a partire dai valori parziali dei pixel. Una volta che l'immagine è stata ricostruita, possono essere applicate varie operazioni di post-elaborazione come regolazioni di contrasto, saturazione e nitidezza per migliorare la qualità dell'immagine finale.
Il numero dei megapixel di una fotocamera è una misura della sua risoluzione, e rappresenta il numero totale di pixel che possono essere registrati in un'immagine. Ad esempio, una fotocamera con una risoluzione di 12 megapixel può registrare un'immagine composta da 12 milioni di pixel. Tuttavia, il numero di megapixel non è l'unica variabile da considerare per determinare la qualità dell'immagine prodotta. Altri fattori come la dimensione dei pixel, la sensibilità alla luce e l'elaborazione del segnale elettrico possono avere un impatto significativo sulla qualità dell'immagine finale.
Il rapporto tra il numero dei pixel e la qualità dell'immagine non è lineare: un aumento del numero di pixel non corrisponde sempre a un miglioramento della qualità dell'immagine. Ciò perché un sensore con pixel troppo piccoli può produrre un'eccessiva quantità di rumore, ovvero un'alterazione casuale del segnale elettrico, che riduce la nitidezza dell'immagine. Inoltre, un aumento del numero dei pixel può comportare una diminuzione della quantità di luce che ogni pixel riceve, diminuendo quindi la sensibilità complessiva del sensore alla luce. Per questo motivo, la scelta del numero dei pixel di un sensore fotografico deve tener conto di un equilibrio tra risoluzione e qualità dell'immagine.
Il processo di conversione della luce in una carica elettrica avviene in questo modo: quando la luce colpisce il fotodiodo, l'energia dei fotoni viene assorbita dal materiale semiconduttore del fotodiodo e viene convertita in una carica elettrica. La carica elettrica viene quindi memorizzata in un capacitor elettrico associato al fotodiodo, il quale trasferisce l'energia accumulata alla successiva fase del processo di acquisizione dell'immagine. Una volta che il sensore ha registrato tutte le cariche elettriche associate ai fotodiodi, queste vengono convertite in un segnale digitale tramite un convertitore analogico-digitale (ADC). L'ADC converte le cariche elettriche in una serie di numeri digitali, che rappresentano i livelli di intensità di luce rilevati dai pixel. Questi numeri digitali vengono poi elaborati dal processore della fotocamera per generare l'immagine finale. La costruzione del sensore dipende dal tipo di sensore utilizzato. Ad esempio, i sensori full frame sono costituiti da un singolo pezzo di silicio, mentre i sensori APS-C possono essere composti da un singolo pezzo di silicio o da più pezzi assemblati insieme. I sensori di grande formato possono essere costruiti utilizzando varie tecniche, come l'utilizzo di diversi pezzi di silicio assemblati insieme o l'uso di un unico pezzo di silicio molto grande.
La demosaicing è il processo che viene utilizzato per ricostruire l'immagine completa a partire dai valori parziali dei pixel registrati dal sensore fotografico. Questo processo è necessario perché i sensori fotografici digitali utilizzano un sistema di filtri a colori per separare la luce in tre canali di colore primario (rosso, verde e blu), ma ogni pixel del sensore è in grado di registrare solo uno dei tre colori primari. Quindi, per ricostruire un'immagine completa a colori, è necessario utilizzare i valori di luce registrati da pixel diversi ma corrispondenti ad uno stesso punto dell'immagine; esso sfrutta la disposizione periodica dei filtri a colori sul sensore per determinare il colore mancante di ogni pixel. Ci sono diversi algoritmi di demosaicing che cercano di interpolare in modo efficace i valori di luce mancanti per ricostruire un'immagine completa e dettagliata. Questi algoritmi possono essere basati su tecniche matematiche, come la media dei pixel vicini o l'interpolazione bilineare, o su tecniche più complesse, come la demosaicing adattiva o la demosaicing basata sul machine learning.
I file RAW sono invece i file che contengono i dati grezzi del sensore, ovvero i valori numerici registrati per ogni pixel senza alcun tipo di elaborazione o compressione. Questi file permettono di conservare il massimo livello di dettaglio e di flessibilità durante il processo di elaborazione dell'immagine, perché consentono di lavorare sui dati grezzi senza perdere informazioni. In particolare, i file RAW contengono anche le informazioni relative alla disposizione dei filtri a colori sul sensore, che sono necessarie per il processo di demosaicing. Quando viene elaborato un file RAW, infatti, il software di elaborazione deve ricostruire l'immagine completa utilizzando un algoritmo di demosaicing.
In sintesi, la demosaicing è il processo che consente di ricostruire un'immagine completa a colori a partire dai valori parziali dei pixel registrati dal sensore fotografico digitale, mentre i file RAW contengono i dati grezzi del sensore che permettono di lavorare sui valori dei pixel durante il processo di elaborazione senza perdere informazioni; mentre la costruzione del sensore digitale è un processo molto tecnico e complesso che richiede un'alta precisione e un elevato livello di specializzazione. Tuttavia, la qualità del sensore e la precisione della costruzione sono elementi cruciali per ottenere immagini di alta qualità e soddisfare le esigenze dei fotografi professionisti e amatoriali; infine la scelta del tipo di sensore fotografico dipende dalle esigenze del fotografo e dal budget disponibile. Il sensore full frame offre la migliore qualità dell'immagine, ma ha anche il costo più elevato. Il sensore APS-C è più economico, ma offre una risoluzione più bassa. I sensori 2:3, 4:3 e micro 4:3 sono utilizzati principalmente nelle fotocamere mirrorless e offrono una maggiore portabilità. I sensori di grande formato sono utilizzati principalmente nelle fotocamere professionali e offrono la massima qualità dell'immagine, ma hanno anche il costo più elevato.