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Ve Lo Spiega L’ingegnere/3: La fotocamera

Nella scorsa puntata di “Ve lo spiega l’ingegnere” vi ho raccontato degli accelerometri, mentre oggi vi parlerò della fotocamera CMOS. Tutti al giorno d’oggi possediamo almeno uno smartphone con il quale ci siamo divertiti a scattare delle foto. E basta poco per accorgersi di come come ci sia stata una evoluzione per quanto riguarda la qualità delle immagini. Al punto che risulta difficile, di primo acchito, distinguere una foto scattata da uno smartphone da una scattata da una fotocamera professionale.

Per capire, e vedere, di cosa sto parlando, quella a sinistra è una immagine scattata con il primo iPhone uscito nel 2007, mentre quella a destra con l’ultimo iPhone 12 Pro Max.

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Occhio umano

Per capire come funziona una fotocamera CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) è importante partire dall’occhio umano. In primis perché è proprio lui il giudice del risultato di una foto. Gli stessi colori come li intendiamo sono definiti in base a come l’occhio percepisce la luce che ci circonda.

Secondariamente l’occhio umano è anche un ottimo microsistema per l’acquisizione delle immagini e ancora oggi si studia e si è ispirati da esso per la progettazione di sistemi digitali.

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Molte sono infatti le analogie: a partire dall’ottica notiamo che come l’occhio presenta la pupilla, così la fotocamera presenta il diaframma. Entrambi si espandono o si riducono con lo scopo di far entrare la giusta quantità di luce per non abbagliare l’osservatore.

Dietro la pupilla, inoltre, è presente una lente (Cristallino) che focalizza la luce sulla retina in fondo all’occhio così come delle lenti sono presenti anche su un sensore CMOS per concentrare la luce sui fotodiodi che poi la assorbiranno.

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Gruppi di lenti di una fotocamera

L’ultimo parallelismo è proprio nei recettori, l’occhio umano presenta sulla retina milioni di coni che assorbono la luce nelle scene molto luminose. Sono presenti 3 tipi di coni la cui differenza è il diverso colore che assorbono. In media c’è una quantità maggiore di coni “rossi” poi a seguire i “verdi” e i “blu”.

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Sarà poi il nostro cervello a rielaborare questi colori e combinarli per avere una ottima gamma cromatica.

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I recettori che assorbono la luce in condizioni di scarsa luminosità sono i bastoncelli, ma questi sono di un tipo solo. E ciò determina che in penombra abbiamo una visione monocromatica.

La matrice di pixel

La parte di ottica di un sensore CMOS si può quindi schematizzare con un diaframma e delle lenti. Per implementare i 3 diversi pixel (rossi, verdi, blu) si utilizzano dei filtri colorati che permettono il passaggio di una luce di un solo colore. In questo modo si può creare una matrice di pixel per ottimizzare l’acquisizione di immagini.

La matrice più utilizzata è quella di Bayer e presenta il doppio dei pixel verdi, rispetto a quelli e rossi e blu.

Fotocamera 5

Questo perché il nostro occhio è molto più sensibile al verde, e quindi un’immagine con una quantità maggiore di pixel verdi risulterà per il nostro occhio più piacevole e fedele alla realtà.

Il pixel

Ma passiamo a vedere, infine, come sono fatti i singoli pixel. Essi sono realizzati con il silicio, materiale sia conduttore che isolante a seconda della necessità. L’area di un pixel si può sostanzialmente dividere in due parti.

Il fotodiodo è la prima parte, che occupa il 60-80 % della superficie, ed è il recettore che permette di trasformare il nostro fascio luminoso (fotoni) in un segnale elettronico (cariche elettriche).

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La restante parte è formata dall’elettronica, la quale è composta da 3 (o 4) Transistor. Il Transistor, il componente che sta alla base di tutti i circuiti elettronici, agisce da interruttore e permette alle cariche elettriche di essere lette dal processore ed essere elaborate per ricreare l’immagine acquisita.

Appuntamento a settimana prossima

Nella prossima puntata vedremo come funziona in dettaglio il processo di acquisizione di una immagine, l’eziologia del rumore che affligge le foto, e quali sono i parametri più importanti da considerare in un sensore.

A proposito, ho parlato anche delle nuove fotocamere celate sotto al display, se te lo sei perso clicca qui.

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