4.10. Sensori a colori

Il fotodiodo in ogni cella è cieco ai colori. Conta i fotoni di ogni lunghezza d’onda che il silicio assorbe senza distinguere il rosso dal verde dal blu. Per ottenere un’immagine a colori da un sensore cieco ai colori, il produttore copre la griglia di pixel con una matrice di filtri colorati (CFA): una sottile pellicola di colorante che permette a ogni cella di vedere solo uno dei tre colori primari.

4.10.1. Il pattern di Bayer

Il layout CFA dominante è il pattern di Bayer, dal nome del suo inventore presso Kodak. La pellicola alterna due tipi di righe: le righe pari sono un pattern rosso-verde ripetuto (rosso, verde, rosso, verde) e le righe dispari sono un pattern verde-blu ripetuto (verde, blu, verde, blu). Nel più piccolo tassello ripetuto – due righe per due colonne – una cella vede il rosso, una vede il blu e due vedono il verde.

La matrice di filtri colorati di Bayer. Ogni cella del sensore vede solo uno dei tre colori primari; il verde compare in due celle ogni quattro.

Il verde è raddoppiato di proposito. La visione umana è molto più sensibile al verde che al rosso o al blu, e la luminanza percepita di una scena è trasportata per lo più dal canale verde. Campionare il verde con il doppio della densità del rosso e del blu colloca il budget di risoluzione dove l’occhio lo nota di più, e nasconde la minore nitidezza della crominanza che ne consegue.

4.10.2. Cosa registra ogni pixel

Un sensore a colori memorizza comunque un solo numero per pixel – il conteggio dei fotoni che sono passati attraverso il filtro colorato di quel pixel. Una cella con filtro rosso registra il suo valore del canale rosso; i valori di verde e blu nella stessa posizione sono semplicemente assenti dai dati. Lo stesso vale per le celle verdi e blu.

I dati che escono dal sensore in formato Bayer grezzo sono quindi un canale per pixel, disposti secondo il pattern di Bayer, anziché i tre canali per pixel di un’immagine a colori finita. La ricostruzione dei due canali mancanti in ogni posizione di cella è chiamata debayering.

4.10.3. Microlenti e l’angolo del raggio principale

Il filtro colorato non è l’unica cosa sopra il fotodiodo. Al di sopra di esso si trova una minuscola microlente che focalizza il cono di luce in arrivo sull’area attiva del fotodiodo, e la microlente è progettata supponendo che la luce arrivi quasi perpendicolare alla superficie del sensore. Quando invece la luce arriva con un angolo ripido – l”angolo del raggio principale che cresce verso gli angoli di ogni lente reale – parte di essa può finire sul filtro del pixel vicino, raccogliendo il colore sbagliato e producendo crosstalk di colore. Anche i pixel agli angoli perdono saturazione, perché parte del cono manca del tutto il fotodiodo.

I sensori compensano spostando la microlente di ogni pixel radialmente verso l’esterno rispetto al centro del sensore, in anelli concentrici che si espandono dal centro fino agli angoli. Lo spostamento è nullo al centro e cresce fino a pochi micron all’anello più esterno, calibrato su uno specifico profilo CRA integrato nel design del sensore. Abbinare un sensore a una lente il cui profilo CRA differisce sostanzialmente dall’obiettivo di progetto lascia errori visibili di colore e sensibilità negli angoli, motivo per cui i sensori di immagine e le lenti vengono solitamente scelti insieme.