I primi due (insieme a molti altri di dimensioni inferiori) sono tipici delle compatte, mentre quello APS-C è tipico delle fotocamere reflex ad obiettivi intercambiabili.

APS, chi era costui?

Si sarà notato che alla voce "APS-C" si sono indicate misure approssimative. Perché? Bisogna fare un passo indietro. APS è una sigla che sta per Advanced Photo System, un sistema fotografico (che richiedeva fotocamere e rullini appositi) lanciato alcuni anni fa che utilizzava una pellicola di dimensioni ridotte rispetto ai classici rullini che tutti conosciamo (quelli in cui ogni fotogramma misura 24x36mm).
Tra le caratteristiche dell'APS, che commercialmente non ha mai sfondato, c'era la possibilità di scattare foto in tre formati diversi:

Ora, le fotocamere digitali ad obiettivo intercambiabile adottano – salvo pochi modelli che usano un sensore grande quanto la pellicola, cioè 24x36mm – sensori che hanno misure simili a quelle dell'APS-C, con lievi differenze a seconda del produttore e della fotocamera: 22,7x15mm, 22,2x14,8mm, 23,7x15,6mm, 23,6x15,8mm, e così via. Questo insieme di formati viene generalmente indicato con la sigla "APS-C".

E i megapixel?

Abbiamo detto che ogni sensore è composto di un certo numero di fotodiodi, disposti come una scacchiera. Ogni fotodiodo è in grado di catturare una certa quantità di luce e per conseguenza genera una carica elettrica, che viene raccolta da dei circuiti pure disposti sul sensore e convogliata verso i componenti della fotocamera preposti all'elaborazione dell'immagine (insieme, purtroppo, al rumore, che è una triste costante di tutte le apparecchiature di questo tipo). Quindi le fotografie digitali sono composte da un certo numero di punti (che non a caso si chiamano anche pixel, che sta per Picture Element), ed ogni punto è generato da un fotodiodo. Per esempio, se da una fotocamera digitale si ottiene una foto grande 2560x1920 pixel, sappiamo che il suo sensore ha in tutto 4.915.200 fotodiodi (basta moltiplicare 2560 per 1920), cioè quasi cinque milioni. Insomma, è una fotocamera da cinque megapixel.
In realtà ogni fotocamera ha sempre qualche pixel in più, perché non tutti quelli presenti sul sensore vengono usati per creare l'immagine (ma servono ad altri scopi, diciamo così, "di servizio", relativi ad esempio alla temperatura dei colori, al contrasto, e così via). Ecco perché talvolta si parla di "risoluzione effettiva", indicando i pixel che realmente sono utilizzati per formare la fotografia.

Pillola rossa o pillola blu?

C'è una triste verità che prima o poi ogni appassionato di fotografia digitale scopre. I fotodiodi "vedono" in bianco e nero, o meglio, non sono in grado di individuare il colore della luce che hanno intercettato ed immagazzinato. Ma allora come mai le foto escono a colori? Perché davanti ai fotodiodi è posizionata una griglia composta di tanti piccoli filtri colorati, ognuno di uno dei tre colori primari (rosso, verde e blu; sono i tre colori che, combinandosi, danno luogo a tutto l'insieme di colori che l'occhio umano può percepire). Il tipo di filtro più diffuso è quello denominato di Bayer (immagine a sinistra): si noti che i filtri verdi sono più numerosi di quelli degli altri due colori; questo avviene perché l'occhio umano è più sensibile al verde, rispetto al rosso ed al blu, quindi il filtro tende a replicare questa sensibilità. Ogni singolo filtro lascia passare solo la luce del suo colore, quindi un fotodiodo che ha davanti un filtro blu immagazzinerà solo la luce blu, e così via per gli altri due colori.
Da notare che, per massimizzare la raccolta di luce, negli spazi vuoti tra un fotodiodo e l'altro sono talvolta posizionate delle microlenti che convogliano nel fotodiodo luce che altrimenti sarebbe andata persa.
Una volta completata l'immagine, cioè la raccolta della luce (più precisamente, ogni fotodiodo raccoglie il valore di luminanza di un colore, cioè il rapporto tra l'intensità luminosa e l'area della superficie che vi è esposta; si esprime in candele per metro quadro, la sigla è Cd/m2), il sistema di elaborazione della fotocamera analizza questo insieme di dati (ognuno dei quali, lo ricordiamo, è relativo ad uno solo dei tre colori primari) e, attraverso un processo denominato "demosaicing", demosaicizzazione, calcola quale sia il colore effettivo di ogni singolo punto, prevalentemente grazie al confronto tra i pixel vicini. In pratica, prendendo i pixel a gruppi – ad esempio – di quattro alla volta, a seconda della distribuzione dei tre colori primari il software della fotocamera ricostruisce il vero colore della scena ripresa, e via via ripete questo processo per tutti i gruppi di pixel dell'immagine.

Ma sono davvero cinque megapixel?

Ecco, ci sarebbe una seconda terribile verità... E' vero che se un sensore ha 2560x1920 punti produce un'immagine composta di cinque milioni di pixel, ma non è vero che ognuno di questi cinque milioni di punti contenga anche l'informazione relativa al colore (vero) di cui è composto: abbiamo visto che ogni punto è solo di un colore primario, e tutto il resto è… abilità del software.
In pratica, i 2560 pixel disposti sulla prima fila del sensore sono metà rossi (o blu) e metà verdi; sulla seconda fila avremo metà punti blu (o rossi) e metà verdi; e così via. Quindi, se anziché parlare di "punti" in senso generico, parliamo di "punti che contengono anche un'informazione relativa al colore vero (non primario)", ci rendiamo conto che, poiché come abbiamo visto la fotocamera usa più pixel per arrivare a determinare il vero colore della scena, è come se a nostra disposizione ci fossero metà dei punti, sia in orizzontale che in verticale. Ovvero 1280x960, cioè circa 1,3 megapixel. Se non siete ancora svenuti, potete consolarvi pensando che ognuno di questi 1,3 milioni di pixel contiene l'informazione relativa al colore reale (della scena ripresa), e non più solo ad uno dei tre colori primari.
Naturalmente esistono dei sistemi che limitano questo problema della "finta risoluzione", il più semplice dei quali è quello che, pur continuando a ricavare il colore reale esaminando quattro pixel alla volta, analizza più volte gli stessi pixel, combinandoli ogni volta in gruppi differenti.

Più siamo meglio stiamo?

Si potrebbe pensare che il modo migliore per avere immagini di alta qualità sia riempire il sensore di quanti più fotodiodi possibile: più fotodiodi (più pixel) ci sono, maggiore è la risoluzione dell'immagine finale; ed ecco spiegato il continuo incremento di megapixel nelle fotocamere che via via vengono lanciate sul mercato. Ma basta ragionare un istante per rendersi conto che, se su un sensore – poniamo – da 1/1,8'' prima c'erano quattro milioni di fotodiodi, ed ora ce ne vanno sette, è evidente che si stanno usando dei fotodiodi più piccoli. E più i fotodiodi sono piccoli, meno sono capaci di catturare la luce, dunque assieme al segnale da loro generato (l'immagine) c'è una maggiore quantità di quello che viene definito "rumore", cioè carica elettrica che sull'immagine finale si manifesta sotto forma di puntini più o meno colorati e di dimensione variabile.
Va osservato che qualunque dispositivo elettronico che abbia a che fare con un segnale ha inevitabilmente un certo grado di rumore. In generale, possiamo dire che esistono due tipi di rumore, quello legato al segnale e quello indipendente dal segnale stesso; quest'ultimo possiamo immaginarlo come un inevitabile sottofondo di tutti i circuiti elettronici, e semplificando potremmo dire che è generato proprio dalle operazioni di trasferimento della carica elettrica dai fotodiodi ai vari circuiti della fotocamera, dalla sua conversione in un segnale digitale, e così via. Spesso lo si definisce "rumore di lettura", "readout noise" in inglese.
Per misurare il rumore spesso si preferisce indicarne la quantità rispetto al segnale: è il cosidetto "rapporto segnale/rumore" (in inglese SNR, signal-to-noise ratio). Più è alto questo rapporto, minore è il rumore rispetto al segnale.
L'aspetto pratico più importante che riguarda il rumore è che esso diventa più visibile man mano che aumenta la sensibilità a cui si scattano fotografie.
Ai tempi della pellicola, per scattare foto con poca luce si caricava in macchina una pellicola ISO 400, o ISO 800, e così via. Così facendo si utilizzava un supporto più sensibile alla luce; ma nel caso del digitale il sensore non si può sostituire, e la sua sensibilità è quella che è. Quello che si può fare è amplificare maggiormente il segnale raccolto dai fotodiodi, e questo comporta anche un aumento del rumore prodotto. Come si amplifica il segnale dei fotodiodi? Lo facciamo impostando, sulla nostra fotocamera digitale, il valore ISO, aumentandolo a ISO 200, 400 o più.
In generale, più i fotodiodi sono piccoli e più sono soggetti al rumore dipendente dal segnale, per cui le compatte digitali generano immagini più rumorose, mentre le fotocamere con sensori di formato APS-C riescono a fornire immagini più pulite, anche a parità di risoluzione. Sarebbe inesatto dire che questo avviene perché le compatte hanno sensori più piccoli; è più giusto dire che il maggior rumore dipende dai fotodiodi più piccoli.
In conclusione, se parliamo di rumore, più che la dimensione del sensore in assoluto conta il suo... affollamento, cioè quanti fotodiodi (e dunque quanti megapixel) ospita: meno ce ne sono, più sono grandi, dunque minore è il rumore legato al segnale.

Un esempio di rumore digitale (visibile specialmente nella parte destra dell'immagine)

Dunque ci si trova di fronte a due forze contrastanti: l'aumento del numero di pixel (cinque megapixel, sette megapixel, e così via) produce immagini più definite, ma allo stesso tempo peggiora la resa del sensore alle sensibilità medio-alte.
All'atto pratico, quanto dovrebbe essere grande un fotodiodo? Poiché la luce visibile ha una lunghezza d'onda che va più o meno dai 400 ai 750 nanometri (un nanometro è un milionesimo di millimetro), ovvero da 0,4 a 0,75 micron (un micron, ovvero micrometro, è un milionesimo di metro), perché un fotodiodo la catturi non può ovviamente essere più piccolo di tali valori. Ad oggi, i fotodiodi delle compatte hanno dimensioni che vanno dai 2 ai 3 micron, mentre quelli dei sensori APS-C oscillano intorno ai 5-6 micron.
E' probabile che l'innovazione tecnologica consenta in futuro di realizzare fotodiodi sempre più piccoli e meno "rumorosi", ma questo non annulla il vantaggio che un sensore più grande ha su uno di dimensioni inferiori, visto che entrambi potranno beneficiare dei miglioramenti tecnologici via via disponibili.

Quindi… bigger is better?

Se parliamo di qualità d'immagine, in generale più un sensore è grande meglio è. Ma naturalmente tutto ha un prezzo: sensori più grandi significa fotocamere più grandi, maggior consumo di energia, obiettivi più grandi (perché l'immagine che devono formare dev'essere grande almeno quanto il sensore), e costi maggiori.
Usando sensori più ampi, i fotodiodi possono essere più grandi: questo produce immagini meno "rumorose", come abbiamo visto, e con una gamma dinamica più ampia. Cos'è la gamma dinamica? Sintetizzando, è un'espressione che indica l'intervallo di sfumature dal bianco puro al nero pieno che un sensore è in grado di registrare. Un fotodiodo di ampie dimensioni può immagazzinare, a parità di tempo, più luce rispetto ad uno più piccolo, e dunque produrre un'immagine più ricca di passaggi tonali, perché riesce a raccogliere più informazioni sull'intensità luminosa di un punto immagine. E' un po' come avere due lampade, una con un normale interruttore, che può essere solo "accesa" o "spenta", ed una con un potenziometro, dove tra "acceso" e "spento" c'è la possibilità di impostare una gamma di luminosità intermedie.
Per mettere alla prova la gamma dinamica basta fotografare una scena dove ci sia una forte differenza di luminosità tra le zone chiare e quelle scure, pensiamo ad esempio ad un bambino all'ombra di un albero con un cielo molto luminoso sullo sfondo. Se nella foto il bambino risulterà chiaro e leggibile, il cielo sarà un uniforme lenzuolo bianco senza nessuna sfumatura. Più i fotodiodi sono piccoli, più le immagini sono esposte a questo rischio.

Un esempio di alte luci "pelate", come si usa dire. A sinistra lo scatto intero, a destra un dettaglio ingrandito. Come si vede la facciata degli edifici non ha alcun dettaglio

CCD o CMOS?

No, non si tratta dell'ennesimo partito della galassia postdemocristiana. Semplicemente i sensori si dividono in due categorie, appunto CCD (Charge-Coupled Device, dispositivo ad accoppiamento di carica) e CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). I processi di fabbricazione dei due sensori sono differenti, così come lo è la disposizione dei circuiti su di essi, fermo restando che si tratta sempre di piastrine piene di fotodiodi che raccolgono la luce e la convogliano.
Ai fini fotografici la differenza più rilevante è quella relativa proprio alla raccolta di luce. Nei CCD la carica elettrica immagazzinata dai singoli fotodiodi viene trasferita, accumulandosi man mano lungo le file di fotodiodi, fino ai bordi del sensore, dove poi viene amplificata ed infine convertita in un segnale digitale (da un apposito ADC, Analog-to-Digital Converter). In pratica la carica elettrica viene letta una riga alla volta, e poi il parziale (di ogni riga) viene riportato alla riga successiva e così via, in sequenza, fino a coprire l'intero sensore.
Chi ha studiato un po' di elettronica si rende conto che in un sensore CCD, dunque, viene trasportata della carica elettrica. I sensori fabbricati con un processo di tipo CMOS, invece, lavorano diversamente: ogni fotodiodo dispone di un amplificatore e di un convertitore, quindi la carica elettrica accumulata viene convertita in differenza di potenziale – il cui trasporto richiede molta meno energia. Se tutto questo vi dice poco, limitatevi a prendere atto solo della conseguenza più evidente: a parità di altre condizioni, un sensore CMOS consuma meno di un sensore CCD.
Senza dilungarsi sui dettagli delle due tipologie di sensori, possiamo elencare alcuni punti fermi riguardo i sensori di tipo CMOS:

A questo punto verrebbe da chiedersi perché si trovino ancora in giro dei CCD – ed anzi perché i sensori destinati ai dorsi medio formato, prodotti di elevata qualità e dalla squisita vocazione professionale (per non parlare dei prezzi) realizzati da nomi come Hasselblad-Imacon e Phase One, siano sempre e solo CCD. La risposta è: qualità d'immagine. I sensori CCD hanno le potenzialità per offrire una maggiore gamma dinamica, meno rumore e maggiore sensibilità.
Non che i CMOS non vadano bene, intendiamoci: attualmente tutte le reflex – anche quelle professionali – del marchio leader di mercato, Canon, sono basate su sensori di tipo CMOS. La verità è che non esiste una tecnologia intrinsecamente superiore all'altra, perché il risultato finale dipende da come la tecnologia viene implementata.
In generale i sensori CMOS hanno due limiti: il rumore e la sensibilità. Poiché c'è un amplificatore per ogni fotodiodo, basta una minima disuniformità nel funzionamento di uno o più di questi amplificatori per generare pixel irregolari e/o disturbati: di qui la maggiore tendenza al rumore, per minimizzare la quale naturalmente esistono vari sistemi sui quali non ci dilunghiamo. Inoltre, proprio la maggiore presenza di circuiteria sul sensore genera più rumore rispetto ad un CCD - perché, come si è detto più sopra, un po' di rumore accompagna inevitabilmente ogni componente elettronico.
Quanto alla sensibilità, sempre perché i sensori CMOS ospitano più circuiti (rispetto ai CCD), ne deriva che una parte della loro superficie non è destinata alla raccolta di luce (la percentuale di un punto realmente utilizzata per raccogliere luce si chiama "fill factor") ma appunto ad ospitare tali circuiti; a questo si può ovviare adottando delle microlenti, come descritto più sopra, e naturalmente il miglioramento dei processi produttivi consente di fabbricare circuiteria sempre più piccola (e quindi di "sprecare" meno spazio sul sensore).

Agostino Maiello © 02/2007
Riproduzione Riservata

Altri articoli sull'argomento già pubblicati su Nadir Magazine: