I segreti dei sensori fotografici

Nel 2008, anno divenuto per certi versi una pietra miliare nell’evoluzione della fotografia, le vendite di telefoni con fotocamera integrata hanno superato quelle delle macchine fotografiche.
Gli smartphone in meno di un decennio sono diventati gli apparecchi fotografici più diffusi da utilizzare per qualsiasi necessità di ripresa. Basti pensare che, secondo alcuni recenti studi, gli “smartfotografi” quest anno scatteranno l’astronomica quantità di oltre mille miliardi di foto.
In particolare, gli utenti italiani di smartphone sono grandi appassionati di fotografia e scattano in media oltre 700 fotografie all’anno. Più le esigenze imaging aumentano e più la tecnologia integrata nei telefoni deve diventare raffinata. Tanto che oggi le caratteristiche fotografiche dei dispositivi sono tra le motivazioni prioritarie che spingono all’acquisto di un modello piuttosto che di un altro. La lotta è serrata e i produttori investono risorse ingenti in ricerca e sviluppo per dotare i propri apparecchi di sensori con sempre più Megapixel, flash incorporati, stabilizzatori di immagine e chi più ne ha più ne metta. Nella competizione smartfotografica, al momento, non ci sono veri e propri vincitori perché le soluzioni adottate dalle principali case costruttrici sono per certi versi tutte valide ed efficaci.

Sinergia imaging

Le performance di un dispositivo fotografico sono il frutto di un mix tecnologico e non solo merito dei sensori, che ormai hanno raggiunto risoluzioni un tempo disponibili solo su fotocamere professionali; basti pensare al tetto di 41 Megapixel (38 effettivi) del Nokia Lumia 1020. Importantissima per la qualità del risultato fotografico è la sinergia fra sensore, obiettivi, stabilizzatori d’immagine e autofocus.
Ormai le prestazioni degli smartphone poco hanno da invidiare a quelle di una compatta fotografica tradizionale, ad esempio l’iPhone 5S scatta alla velocità di 10 fotogrammi al secondo. Entro breve arriveranno importanti novità in campo mobile imaging con apparecchi equipaggiati addirittura da fotocamere ausiliarie che si affiancano a quella principale e quella frontale secondaria per i selfie. Questi sensori, posizionati agli angoli dello schermo, avranno il compito di rilevare la posizione e le espressioni del volto dell’utente, gesture tridimensionali e i movimenti dell’occhio.
Concept a parte, probabilmente la prima concreta rivoluzione tecnologica che vedremo debuttare arriverà da Samsung che sta già sperimentando speciali sensori Cmos battezzati Isocell, progettati per alloggiare una matrice di pixel in grado di catturare una maggiore quantità di fotoni e ottimizzare così resa cromatica e sensibilità alla luce.
A breve, poi, è molto probabile l’introduzione sugli smartphone di fotocamere dotate di tecnologia Lytro che permettono la variazione delle aree di fuoco e, parzialmente, della prospettiva dopo aver effettuato la ripresa delle immagini.

Risoluzione & C.
La qualità di una fotocamera passa inevitabilmente attraverso la qualità del sensore. Questo piccolo chip elettronico si occupa della conversione di un input luminoso in segnali elettrici che vengono poi amplificati, digitalizzati ed elaborati dal processore di immagine che li codifica, li comprime e li immagazzina nella memoria dello smartphone. La risoluzione del sensore espressa in Megapixel è un parametro fondamentale per valutare le performance di una fotocamera che influenza, oltre la resa generale della foto, la grandezza delle stampe ottenibili senza scadimenti qualitativi. Tuttavia, raggiunta una certa risoluzione (diciamo intorno ai 10 Megapixel) altre caratteristiche pesano in maniera significativa sulla qualità d’immagine più di ulteriori aumenti di risoluzione.
Un fattore di grande importanza quando si scelgono dispositivi fotografici è la dimensione del sensore: a parità di numero di pixel, più il sensore è ampio e maggiore è la dimensione di ciascun pixel che offre di conseguenza migliore sensibilità alla luce e meno interferenze generate da rumore digitale. Proprio questo è l’asso nella manica di Apple che ha dotato l’iPhone 5S di una fotocamera completamente riprogettata con luminoso obiettivo f/2,2 e sensore da 8 Megapixel il 15% più ampio dei precedenti (con grandi pixel che misurano 1,5 micron) che, in combinazione con l’ottica speciale, assicura oltre il 33% di sensibilità in più.

BSI: i sensori retroilluminati

Dopo la vittoria dei Cmos sui Ccd ora la sfida si combatte tra Cmos Fsi (a illuminazione frontale) e Bsi (retroilluminati). Ma quali sono le differenze? In sintesi: la struttura di un sensore Fsi prevede che le connessioni e i transistor sulla superficie del substrato di silicio siano posizionate al di sopra dei fotodiodi, causandone una parziale perdita di sensibilità alla luce.
Nei Cmos Bsi le connessioni e i transistor sono posti al di sotto dei fotodiodi minimizzando la suscettibilità ai diversi angoli di incidenza dei raggi luminosi e incrementando la quantità di luce catturata da ogni pixel, grazie all’assenza di ostacoli davanti allo strato fotosensibile. Il rovescio della medaglia è che i sensori retroilluminati sono soggetti a maggiori problemi di rumore digitale. I sensori di nuova generazione dispongono di circuiti ottimizzati e di soluzioni software per la riduzione del rumore digitale.

HTC Ultrapixel: 300% di luce in più
Più risoluzione non corrisponde necessariamente a una migliore qualità dell’immagine: questo ormai è un dato abbastanza risaputo. HTC ha scelto per i suoi telefoni di fascia alta una tecnologia imaging in controtendenza, chiamata Ultrapixel. Questi sensori utilizzano risoluzioni relativamente basse ma hanno una superficie molto più ampia rispetto ai chip da 8 e 13 Megapixel adottati da altri produttori e sono in grado di catturare una quantità di luce fino a 3 volte maggiore rispetto ai concorrenti. È così possibile registrare file leggeri che producono immagini di elevata qualità generale. Un ulteriore passo avanti è stato fatto con HTC One M8 che utilizza un doppio sensore per migliorare gli scatti, specie quelli notturni.

La tecnologia Nokia PureView
Nokia è sempre stata all’avanguardia nelle applicazioni imaging: come non ricordare il leggendario N95, il primo telefono ad alta qualità fotografica? Oggi tiene fede alla tradizione con cellulari dotati di luminosi obiettivi autofocus grandangolari Zeiss equivalenti a 25 mm f/2,2 a 6 lenti asferiche in 1 gruppo con stabilizzatore ottico, zoom digitale 3x ad alta risoluzione, Cmos Bsi PureView da 41 Megapixel (38 effettivi) formato 1/1,5 pollici. La tecnologia PureView utilizza il Pixel Oversampling che combina vari pixel dell’ampio sensore ad alta risoluzione per formare un singolo pixel nell’immagine finale con netti miglioramenti qualitativi e delle prestazioni di ripresa in condizioni di scarsa luminosità.

Lytro Camera

L’originale tecnologia Lytro, denominata Light-Field, consente di selezionare quali aree e soggetti mettere a fuoco all’interno delle immagini dopo averle scattate in modo da avere a disposizione un numero molto ampio di inquadrature possibili. Questa particolare caratteristica spalanca eccezionali possibilità creative e permette al momento dello scatto di non preoccuparsi troppo dell’inquadratura. Pare che il compianto Steve Jobs avesse immediatamente colto le eccezionali opportunità di questi apparecchi fotografici.

La fotocamera del futuro
Di voli pindarici attorno alle possibili evoluzioni future dei sensori se ne fanno tantissimi ma tralasciamo per un attimo rumor e roboanti fantasticherie e proviamo a vedere quali sono le evoluzioni smartfotografiche plausibili. Innanzitutto possiamo definire alcuni punti fermi: il successo dei più convenienti Cmos sui Ccd, la decisa affermazione dei sensori retroilluminati (Bsi) e una generica standardizzazione delle dimensioni dei sensori tra 1/3,2 e 1/4 di pollice. La tendenza per il prossimo futuro, partendo da queste basi, è da un lato ridurre la dimensione dei pixel per aumentare la risoluzione (anche se non è un processo replicabile all’infinito per ragioni fisiche) e dall’altro, al contrario, è produrre speciali sensori destinati agli smartphone top di gamma, più ampi con pixel più grandi per garantire prestazioni maggiormente raffinate che comprendono la possibilità di registrare video in 4K e file fotografici Raw (formato senza compressione ed elaborazioni).