Componenti di un sensore digitale (chip CMOS/CCD)
Le fotocamere digitali catturano immagini esponendo un sensore digitale alle particelle di luce in arrivo attraverso l'obiettivo. Alcuni sensori danno 10 MP, altri 30 MP. Sensori scadenti generano molto rumore digitale/artefatti a parità di esposizione; sensori di qualità hanno poco rumore. I componenti principali dei sensori digitali includono: array di cavità (photositi), fotositi, transistor, microlenti, filtri colore (CFA).
Array di cavità (Cavity Array) / Photositi
- Il sensore ha una griglia di milioni di diodi fotosensibili (photositi). Ogni photosite converte fotoni (particelle luce) in elettroni.
- Il numero di photositi = megapixel dell'immagine. Es. sensore 10 MP = 10 milioni di photositi.
Photositi (Dettaglio)
- I photositi sono "scoperti" dall'apertura dell'otturatore. A ogni scatto, ogni photosite cattura fotoni.
- Durante l'esposizione, i photositi convertono fotoni in elettroni, che si accumulano dentro ogni photosite (pozzo di potenziale).
- Finita l'esposizione, gli elettroni vengono convertiti in tensione (voltaggio) proporzionale alla carica accumulata.
Transistor (nei sensori CMOS)
- Molti sensori moderni sono CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Ogni photosite ha 3+ transistor integrati (reset, amplificatore sorgente-selettore, selezione riga).
- I transistor convertono gli elettroni accumulati in tensione direttamente nel photosite (lettura attiva), senza elaborazione esterna.
- Prima dei CMOS, i CCD (Charge-Coupled Device) erano comuni: spostano carica lungo registri a un amplificatore unico. Più costosi da produrre e consumano ~100x più energia dei CMOS.
Filtri cavità / Color Filter Array (CFA)
- Senza filtri, i sensori vedono solo scala di grigi (intensità luce, non colore).
- I filtri cavità (CFA) controllano il colore dei fotoni che entrano in ogni photosite. Lasciano passare solo Rosso, Verde o Blu per photosite.
- Il CFA più comune è il pattern Bayer (Bayer array): righe alternate R-G-R-G... e G-B-G-B... (doppio verde perché occhio umano più sensibile al verde).
- L'interpolazione (demosaicing) ricrea i 3 colori per ogni pixel dai dati mosaico.
Microlenti (Microlenses)
- Poste sopra ogni photosite. Funzionano come microscopici imbuti che convogliano più fotoni nel photosite.
- Aumentano la capacità di raccolta luce (quantum efficiency) e riducono i tempi di esposizione necessari.
- La qualità delle microlenti varia tra sensori. Microlenti di alta qualità nelle ultime reflex/ML creano immagini con meno rumore digitale a parità di esposizione vs microlenti vecchie/low-end.
Altri componenti rilevanti: Circuito di lettura (readout) (colonna/righe ADC), convertitori A/D (analogico-digitale) (12-16 bit), processore immagine (ISP) (riduzione rumore, demosaicing, bilanciamento bianco, curva tonale), substrato silicio (BSI = Back-Side Illuminated: circuiti sotto, superficie fotosensibile libera → più luce catturata, meno rumore).