Il sensore Foveon X3

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Il sensore Foveon X3 è un sensore di immagine di tipo CMOS per fotocamere digitali, progettato da Foveon, Inc. (ora parte di Sigma Corporation) e prodotto dalla Dongbu Electronics.

Il sensore Foveon è strutturalmente differente dai sensori tradizionali impiegati nelle macchine fotografiche più comuni, basate sulla matrice Bayer (esistenti sia un versione CCD che CMOS).

Nel sensore Foveon si impiega un array di fotositi ognuno dei quali è costituito da tre fotodiodi impilati verticalmente ed organizzati in una griglia bidimensionale. Ciascuno dei tre fotodiodi impilati risponde a diverse lunghezze d’onda della luce, ovvero ognuno  ha una diversa curva di sensibilità spettrale (questa differenza è legata al fatto che le diverse lunghezze d’onda della luce penetrano il silicio a diverse profondità). I segnali dei tre fotodiodi vengono poi elaborati in modo che ogni fotodiodo fornisca  il valore corrispondente ad uno tre colori primari (rosso, verde e blu).

Foveon

Nell’immagine qui di sopra viene riportato il parallelo tra il sensore Foveon X3 (a destra) ed il sensore basato sulla matrice Bayer (al centro). A sinistra, infine, è riportata la schematizzazione di come una pellicola a colori cattura i tre colori primari: il sensore Foveon X3 vuole, in pratica, imitare quanto viene realizzato nella pellicola analogica.

Il funzionamento del sensore Foveon X3 è molto diverso da quello del sensore basato sul filtro Bayer . Nel sensore Bayer , ogni fotosito nella matrice è costituito da un sensore di luce singola (CMOS o CCD) che, a seguito di filtrazione, viene esposto a solo uno dei tre colori primari (rosso, verde o blu). Per la realizzazione dell’immagine finale catturata dal sensore Bayer è necessario effettuare la demosaicizzazione, un processo interpolativo in cui ad ogni pixel  associato ad ogni fotosito viene assegnato un valore RGB basato sulla combinazione dei valori di rosso, verde e blu dei fotositi ad esso adiacenti. Al contrario, il sensore Foveon X3 crea la resa del colore RGB per ogni fotosito combinando le uscite di ciascuno dei fotodiodi accatastati in ciascuno dei suoi fotositi . Questa differenza operativa comporta diverse conseguenze, non tutte positive (da cui la scarsa diffusione).

Artefatti di colore

Perché nel caso del Foveon X3 non è prevista la  demosaicizzazione per produrre un’immagine a colori, gli artefatti di colore  associati a tale processo non sono presenti. Il filtro anti-aliasing tipico dei sensori Bayer per limitare questi artefatti non è presente. Questo permette una qualità maggiore dell’immagine. Al contrario però,  il metodo di separazione dei colori  legata alla profondità di penetrazione del silicio crea dei problemi nella “precisione del colore”, in particolare con il canale rosso. La foto è quindi meno fedele da un punto di vista cromatico.

Raccolta della luce e prestazioni a bassa luminosità

Un’altra differenza è legata al numero dei fotoni catturati dal sensore: il Sensore Foveon X3 ne cattura  più di un sensore basato su matrice Bayer. Nel sensore Bayer, infatti, ciascuno dei filtri colorati sovrapposti in ciascun fotosito riceve si tutta la luce ma permette  il passaggio solo di  uno dei colori primari, assorbendo gli altri due (il che riduce drasticamente la quantità di luce). Nel caso del Foveon X3 il fotosito è colpito da tutta la luce ma i singoli strati non sono in grado di rispondere al colore come nel caso del Bayer. Se infatti nel Bayer la separazione nei tre colori primari è netta, nel Foveon ciò non accade il che si fa sentire in modo particolare a bassa luminosità dove compare spesso del rumore cromatico.

foveon x3

Nell’immagine qui sopra una schematizzazione dei tre livelli: quello rosso è più ampio proprio perché, sul rosso, il Foveon pecca di qualità (e quindi si cerca di compensare con la sua dimensione, d’altronde la luce arriva attenuata al terzo strato).

Risoluzione spaziale

Argomento un po’ delicato, spesso corredato da parecchie polemiche, in quanto il sensore Foveon usa una scala differente nel fornire i “megapixel”. Facciamo un esempio:  le dimensioni della matrice di fotositi del sensore della fotocamera Sigma SD10 sono pari a 2268 × 1512 (in tre strati) e la fotocamera produce un formato di file nativo delle stesse dimensioni, il che equivale a  a circa 3,4 milioni di pixel per ciascun colore. La Sigma SD10 è stata sempre pubblicizzata come una  fotocamera 10.2 MP, ovvero Sigma ha sempre fatto la “somma” dei tre strati. Nell’ambito Bayer, prendiamo la Nikon D200, dove le dimensioni del sensore sono  3872 × 2592. In questo caso abbiamo solo un  fotodiodo in ciascun fotosito e non tre come nel caso di prima. La risoluzione di questo sensore è di 10.2MP, ovvero le stesse dichiarate dalla SD10. Per quanto però la risoluzione sia uguale sulla carta, il file  finale proveniente dal Bayer (ottenuto tramite demosaicizzazione) è però tre volte più grande.

Tuttavia, la risoluzione effettiva prodotta dal sensore Bayer è più complicata e non è semplicemente legata al conteggio dei suoi fotositi o alla dimensione del file nativo. Nell’ambito Bayer bisogna mettere in conto la presenza del filtro anti-aliasing e del processo di demosaicizzazione, il che fa perdere risoluzione all’immagine finale. Considerando questi problemi di post-produzione interni al sensore, il rapporto 1:3 è esagerato e test indipendenti indicano che la matrice da”10.2 MP ” del sensore Foveon X3 (della Sigma SD10) ha una risoluzione simile ad un 5MP  o 6 MP di un sensore Bayer. In alcuni casi, ad esempio il sensore che equipaggia la SD14, il sensore Foveon X3 si avvicina ulteriormente al sensore Bayer, essendo il 14MP Foveon equiparabile ad un 10MP Bayer.

Il rumore

Il sensore Foveon X3  è caratterizzato da un rumore maggiore rispetto ai sensori in alcune altre reflex digitali con sensore Bayer, soprattutto a valori ISO più alti. In particolare è il  il rumore di crominanza ad essere particolarmente sviluppato. Anche il rumore dovuto alle lunghe esposizioni è maggiore in un Foveon rispetto ad un Bayer (va comunque detto che, oltre al sensore vero e proprio, gioca molto anche il software a suo corredo).

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