Come funziona un sensore di fotocamera digitale | Tutto in dettaglio
Le fotocamere digitali sono ovunque intorno a noi, e vengono usate in una varietà di campi diversi. Troverai fotocamere digitali non solo nei nostri smartphone ma anche in applicazioni di sorveglianza, monitoraggio del traffico, linee di produzione moderne e molti altri settori.
Una fotocamera digitale cattura un'immagine convertendo le informazioni dell'immagine dall'obiettivo e ciò che rende possibile il processo di conversione è il sensore d'immagine. È anche considerato il cuore di una fotocamera digitale poiché la fotocamera non può funzionare senza di esso. Quindi, come funziona un sensore di fotocamera digitale?
Cos'è un sensore della fotocamera?
Il sensore della fotocamera è il componente madre di ogni fotocamera, e il sensore rende possibile catturare un'immagine. Per formare un'immagine, richiede luce. La luce proviene dall'oggetto e colpisce il sensore della fotocamera.
Il sensore cattura la luce e la converte in forma digitale. Questa forma digitale è ciò che chiamiamo immagine digitale.
Il sensore è un dispositivo a stato solido, ed è composto da alcuni piccoli componenti. Questi sono
Array di filtri colore
Il sensore della fotocamera può catturare solo la luce ma non il colore. L'array di filtri colore dà al sensore la capacità di vedere il colore. Diversi produttori di sensori usano diversi tipi di array; l'array più comune è Bayer GRGB.
È posizionato su ogni pixel per rilevare il colore, e ogni pixel può rilevare solo un colore. Quindi, questo array di filtri colore produce campioni di colore incompleti. Poi, usando il processo di demosaicing, la fotocamera ricostruisce un'immagine con colori completi.
Filtro passa-basso (Low-pass filter)
Se la luce ad alta frequenza passa attraverso il sensore, può produrre alcune parti dell'immagine sfocate. Un filtro passa-basso è usato per sopprimere la frequenza della luce incidente, rendendo l'immagine sicura dall'aliasing.
L'aliasing può causare dettagli ripetitivi in un'immagine con risultato di sfocatura. Ma limitare la frequenza della luce diminuisce i dettagli nelle immagini. I produttori nitidiscono la foto per farle sembrare dettagliate.
Filtro infrarossi
La luce infrarossa può causare dominanti di colore in un'immagine, e il sensore d'immagine è molto sensibile alla luce infrarossa. C'è uno specchio tra l'obiettivo e il filtro passa-basso per prevenire che la luce infrarossa raggiunga il sensore. Questo specchio è il filtro infrarossi.
Circuitazione
Anche se ogni sensore fa lo stesso lavoro, questi differiscono nella loro costruzione. I due tipi di sensore più comuni sono CCD e CMOS. I sensori di tipo CCD raccolgono la carica da ogni cavità o fotosito e trasferiscono la carica dal sensore usando un array verticale di pixel schermati dalla luce.
I sensori di tipo CMOS hanno un amplificatore di segnale in ogni pixel. Raccolgono la carica dalla cavità, poi convertono la carica in tensione e la amplificano sui pixel. Questo sensore produce tensione piuttosto che carica come un sensore CCD.
Ma poiché amplifica la carica in ogni pixel, potrebbe esserci rumore nell'immagine, la maggior parte dei sensori CMOS contiene un circuito extra di riduzione del rumore.
Pixel
Il pixel misura la quantità di luce incidente che cade su di esso usando un fotorivelatore sensibile. Questi fotoni causano il rilascio di elettroni dal silicio, formando carica nel fotosito.
Microlenti
Le microlenti sono una parte molto importante del sensore. Aumentano la sensibilità del sensore convogliando la luce nei pixel. I circuiti del sensore occupano una porzione di ogni pixel, quindi le microlenti convogliano la luce dentro e la luce non viene influenzata dai circuiti.
Tutti questi componenti lavorano insieme per convertire l'informazione luminosa in un'immagine digitale.
Come funziona un sensore di fotocamera digitale?
Una fotocamera digitale non impiega nemmeno un millisecondo intero per catturare un'immagine, ma in questo breve tempo completa molti compiti. Il sensore della fotocamera stesso esegue le operazioni primarie.
Quello che fa è catturare la luce incidente e convertire la luce in forma digitale. È tutto, ma il processo per farlo non è molto semplice.
Quando premi il pulsante di scatto della fotocamera, le cavità del sensore vengono esposte alla luce. Ci sono milioni di pixel in un sensore, e i numeri dei pixel di un sensore sono gli stessi delle cavità, e queste cavità sono chiamate fotositi.
I fotositi sono sensibili alla luce, e questa parte del sensore cattura la luce. Quando il pulsante di scatto della fotocamera viene premuto, questi fotositi vengono esposti alla luce e si chiudono al termine dell'esposizione.
Tra questo breve tempo di esposizione, la luce colpisce i fotositi, e i fotositi producono un piccolo segnale o carica elettrica.
Più lungo sarà il tempo di esposizione, maggiore quantità di luce colpirà i fotositi. Lo stesso vale per la luce più intensa, il che significa che condizioni di illuminazione brillanti permettono a più fotoni di colpire i fotositi.
Più fotoni colpiscono i fotositi, più segnale elettrico verrà prodotto e più nitida sarà l'immagine.
Quindi, ogni fotosito pixel produrrà una quantità diversa di segnale elettrico. La fotocamera misurerà questi segnali, e il risultato misurato sarà ulteriormente convertito in un valore digitale usando un convertitore analogico-digitale. Il valore risultante è ciò che chiamiamo un'immagine.
Poiché i fotositi non possono vedere il colore, il segnale elettrico può essere convertito solo in una scala di grigi. Quindi, il sensore d'immagine usa un array di filtri colore per rilevare il colore. Il tipo più comune di array di filtri colore è l'array Bayer.
Sopra ogni fotosito, c'è questo filtro Bayer. Un quarto di un pixel misura il colore rosso, un altro quarto misura il blu, e metà di un pixel misura il verde. Ogni pixel può catturare solo un colore.
Il filtro blu cattura il blu, il rosso cattura il rosso, e il verde cattura il verde. La luce che non corrisponde al colore del filtro viene rimbalzata. Ciò significa che perdiamo due terzi della luce incidente per catturare ogni colore, quindi la luminosità di un'immagine è tre volte più della risoluzione del colore.
Ogni fotosito cattura un colore di luce, e poi la fotocamera indovina gli altri due colori presenti in quella luce. In generale, la fotocamera ora interpola il segnale colore da tutti i pixel vicini e calcola il valore completo del colore per ogni pixel.
L'informazione colore da tutti i pixel viene cucita insieme, e questo crea un'immagine digitale.
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Domande Frequenti (FAQ)
Come può il sensore della fotocamera vedere la luce?
Il sensore digitale ha milioni di fotositi sensibili alla luce. Quando il pulsante di scatto viene premuto, questi fotositi vengono esposti alla luce, catturando la luce (fotoni) che li colpisce.
Come cattura un'immagine il sensore?
Quando la luce colpisce le cavità del sensore, crea un segnale elettrico. Il sensore misura l'informazione e converte quei dati in forma digitale. Poi, cuce tutti questi dati digitali insieme, e ciò risulta in un'immagine.
Parole finali
Catturare un'immagine non è un grosso problema. Ma il processo che avviene dentro il sensore della fotocamera non è affatto semplice. Speriamo che questa guida ti dia una buona idea di come funziona un sensore di fotocamera digitale.