Il sensore, l’occhio digitale

CCD
Il sensore della macchina fotografica digitale è il suo “occhio“, è la versione elettronica della ‘vecchia’ pellicola analogica. Che differenza c’è fra i sensori CCD e i CMOS? Come funzionano? Quanto contano le loro dimensioni al fine della qualità? Quale soluzione scegliere?


“In principio era il CCD…”, in questo modo potrebbe iniziare la storia delle macchine fotografiche digitali. Il primo prototipo risale al 1975 ad opera di Steven Sasson, ed era un semplice CCD da 0,01 Megapixel, una risoluzione finale di 320×240 pixel e un formato 4:3. 
 
Il CCD (Charge-Coupled Device) consiste in un circuito integrato formato da una griglia di elementi semiconduttori che sono in grado di accumulare una quantità di carica elettrica direttamente proporzionale all’intensità della luce che li colpisce. Questi elementi sono accoppiati in modo tale da poter trasferire la propria carica elettrica ad un elemento adiacente. Inviando al sensore una sequenza temporizzata di impulsi elettrici, si ottiene in uscita un segnale tramite il quale è possibile ricostruire la matrice di punti o pixel che vanno a comporre l’immagine originalmente proiettata sul CCD stesso. Nei CCD a colori, ciascuno dei pixel del sensore cattura solo un colore primario Per esempio, il primo pixel cattura il rosso, il secondo il verde e il terzo il blu e così via da capo secondo una matrice di colore. La ricostruzione dei colori originali avviene via software per ‘interpolazione’: se il primo sensore cattura il rosso, il resto dell’informazione sul colore viene ‘ricostruita’ dai due pixel adiacenti. Le matrici di colore utilizzate hanno spesso il pattern classico chiamato “Bayer“, ovvero GRGB (verde, rosso, verde, blu), ma esistono diverse variazioni, come per esempio la CYGM (ciano, giallo, verde, magenta) o la RGBE (rosso, verde, blu e una specie di ciano che la sony chiama ‘emerald’) che si trova solo nel sensore della vecchia Sony DSC-F828
 
Matrice Bayer GRGB 
 
Nel sensore CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), ultimamente alla ribalta come il più utilizzato nelle macchine fotografiche di fascia alta, oltre agli elementi fotosensibili, sono presenti dei transistor MOSFET che da un punto di vista ottico non partecipano alla cattura della luce. I sensori CMOS APS (Active Pixel Sensor) prevedono un amplificatore per ciascun elemento fotosensibile che ne riduce il rumore. 
 
Sul piano delle differenze possiamo affermare che è vero generalmente che un sensore CCD richiede una linea produttiva a parte mentre un sensore CMOS può essere prodotto usando le stesse tecnologie di produzione dei circuiti integrati, per cui la costruzione di un sensore CCD è più costosa di quella di un sensore CMOS. E’ anche vero che un sensore CCD generalmente produce a parità di caratteristiche, immagini più definite e meno rumorose di un sensore CMOS.  
Ma la tecnologia ha fatto passi da gigante, e i sensori CMOS APS ormai vengono utilizzati su tutte le reflex digitali professionali e semiprofessionali. Come mai? Per i vantaggi intrinseci del sensore stesso, cioè il costo inferiore (i sensori CMOS delle reflex sono enormi se paragonati ai minuscoli CCD delle fotocamere compatte, e quindi un CCD di analoghe dimensioni costerebbe uno sproposito) e la maggior velocità nel fornire immagini. Con la tecnologia attuale si è riusciti a ridurre il rumore tipico dei sensori CMOS e ad avere una qualità di immagine che fino a pochi anni fa era assolutamente impensabile. 
 
Un capitolo a parte meriterebbe la soluzione proposta da Foveon (acquisita al 100% da Sigma nel 2008), con il suo sensore X3. Si tratta di un sensore CMOS in cui ciascun pixel cattura tutti e tre i colori primari.  
Foveon X3 
 
I vantaggi di questa tecnologia sono una maggior risoluzione dell’immagine, effetti moirè e aberrazioni praticamente assenti. I difetti sono una minore sensibilità alla luce e una tendenza alla rumorosità maggiore dei sensori CMOS APS montati sulle reflex digitali tradizionali. Per ora il sensore CMOS Foveon X3 è stato utilizzato sulle Sigma SD9 e SD10, senza incontrare un favore del pubblico degno dell’incredibile qualità delle immagini prodotte; segno che c’è ancora molto lavoro da fare, soprattutto sull’usabilità delle due fotocamere. 
 
Le dimensioni di un sensore sono importantissime, in quanto determinano l’addensamento dei pixel (elementi fotosensibili). Maggiore è l’addensamento dei pixel e minore sarà la qualità dell’immagine. Evito in questo caso appositamente di tediarvi sul perché, da un punto di vista elettronico, la qualità sia peggiore con un maggior addensamento di pixel, semplicemente prendetelo per ora come un dato di fatto. 
I sensori CCD delle fotocamere compatte di fascia alta hanno dimensioni di circa 8×6mm, contro i 25×16mm di un sensore CMOS APS-C (quello della maggior parte delle reflex semiprofessioanli) , mentre le cosidette full frame (Nikon D700 o Canon 5D) hanno un sensore CMOS di 36×24mm.
Se pensiamo che una fotocamera compatta di fascia alta oggi ha circa 12 megapixel, gli stessi della Nikon D700, possiamo dedurre che i megapixel non sono una misura della qualità di una fotocamera. L’addensamento degli elementi fotosensibili di un CCD di una fotocamera compatta, la rende più rumorosa, meno sensibile, meno definita (per via anche delle ‘microlenti’ tipiche delle compatte), con meno range dinamico di una qualsiasi reflex digitale di pari numero di pixel. 
 
Ma a questo punto, quale fotocamera scegliere? Come valutare i dati tecnici di una fotocamera? 
La dimensione del sensore innanzitutto! Se il vostro scopo è di prendere una fotocamera compatta, scegliete quella con il sensore di maggiori dimensioni. Tenete presente che per avere una stampa fotografica di dimensioni A4 a 300 dpi bastano anche solo 6-8 Megapixel. Tutti i milioni di pixel forniti in più fanno parte di una chiara politica commerciale che poco ha a che vedere con la qualità di una foto o di una stampa.  
Se volete prendere una reflex la cosa si fa più complessa, perché oltre le dimensioni del sensore (che variano ma si dividono sostanzialmente in due categorie, gli APS-C e i Full Frame) entrano in gioco gli obbiettivi forniti nel kit, la velocità di scatto, l’accesso alle funzioni principali, e tante altre cose che possono sembrare dei vezzi ma sono importanti per il fotografo professionista o per l’amatore esigente. 
 
Per integrare quanto detto sui parametri di scelta, vi consiglio di leggere la nostra guida all’acquisto di una fotocamera digitale.