Il filtro Bayer potrebbe sparire dai sensori: Holocoder cattura 2,5 volte più luce

Il filtro Bayer accompagna la fotografia digitale da mezzo secolo, ma una nuova tecnologia potrebbe mettere in discussione uno dei componenti fondamentali dei sensori fotografici. Si chiama Holocoder e promette di far arrivare ai pixel fino a 2,5 volte più luce, acquisendo contemporaneamente informazioni su colori e profondità della scena. È una prospettiva interessante non soltanto per smartphone e fotocamere, ma soprattutto per robotica, visione artificiale e intelligenza artificiale applicata al mondo fisico.

La statunitense Metalenz ha annunciato l’acquisizione di PxE Imaging, startup israeliana sviluppatrice di Holocoder. Nata nel 2016 da attività di ricerca dell’Università di Harvard, Metalenz dichiara di aver già distribuito oltre 300 milioni di componenti ottici basati su metasuperfici, minuscole strutture ottiche piatte che manipolano la luce attraverso elementi microscopici, sostituendo le tradizionali lenti curve. L’acquisizione, il cui valore economico non è pubblico, punta a portare una tecnologia ottica differente, e molto più evoluta, nei comuni sensori CMOS.

Perché il filtro Bayer fa perdere luce ai sensori fotografici

Il problema nasce da una scelta progettuale che risale al 1976, quando Bryce Bayer, ricercatore Kodak, brevettò una disposizione di filtri colorati destinata a diventare uno standard della fotografia digitale.

Un sensore CMOS tradizionale misura l’intensità della luce incidente, ma i singoli fotodiodi non identificano autonomamente il colore. Sopra di essi si trova quindi una matrice di filtri rossi, verdi e blu, organizzati secondo uno schema ripetitivo RGGB: ogni gruppo di quattro pixel contiene due filtri verdi, uno rosso e uno blu. Ogni filtro lascia passare prevalentemente una banda dello spettro visibile, assorbendo gran parte delle altre componenti.

Secondo Metalenz, la perdita complessiva attribuibile al sistema Bayer raggiunge circa il 60% della luce incidente.

C’è poi un secondo compromesso: ciascun pixel acquisisce una sola componente cromatica: le altre due richiedono una ricostruzione tramite demosaicing, algoritmo che interpola i valori dei pixel vicini. Il procedimento funziona bene, ma può introdurre falsi colori, artefatti e perdita di dettaglio nelle trame più fini.

Come funziona Holocoder: luce separata senza filtri colorati

La documentazione tecnica di PxE pubblicata da Metalenz descrive un approccio differente: sostituire sia la matrice Bayer sia il tradizionale array di microlenti con un singolo elemento ottico trasparente e diffrattivo, collocato direttamente sopra il sensore.

Anziché selezionare i colori assorbendo le lunghezze d’onda indesiderate, Holocoder sfrutta il comportamento ondulatorio della luce: la struttura modifica la distribuzione spaziale della radiazione incidente, generando sul sensore una rappresentazione codificata, assimilabile a un’immagine olografica.

Un processore dedicato alla ricostruzione, definito holographic ISP, interpreta tale rappresentazione e produce informazioni RGB, infrarosse e di profondità. Metalenz descrive l’elaborazione come deterministica e adatta al funzionamento in tempo reale.

Una sola acquisizione permetterebbe di ottenere più informazioni sulla scena con l’elemento ottico che utilizza le proprietà del fronte d’onda: la lunghezza d’onda contribuisce alla ricostruzione cromatica, mentre la sua curvatura fornisce informazioni utili alla stima della profondità.

Holocoder trasferisce comunque parte della codifica dell’informazione all’hardware ottico, ma necessita di algoritmi specifici per trasformare i dati grezzi in immagini utilizzabili: il software, ancora una volta, resta essenziale.

Due volte e mezzo più luce: cosa significa

Metalenz sostiene che eliminare il filtro Bayer consenta di aumentare di 2,5 volte la luce disponibile per il sensore rispetto all’architettura tradizionale: recuperare una frazione significativa della radiazione precedentemente assorbita può migliorare sensibilmente il segnale acquisito.

La pagina tecnica PxE parla inoltre di un rapporto segnale-rumore (SNR) fino a 2,5 volte superiore rispetto alle fotocamere Bayer convenzionali.

Mancano ancora dati pubblici sufficientemente dettagliati per verificare le prestazioni su differenti sensori, aperture, illuminazioni e risoluzioni. Anche l’efficienza diffrattiva, la fedeltà cromatica e gli eventuali artefatti della ricostruzione richiederanno confronti indipendenti.

Tuttavia, i potenziali vantaggi restano davvero rilevanti: più luce acquisita potrebbe consentire esposizioni più brevi, ridurre il rumore nelle riprese notturne e contenere la necessità di elaborazioni fotografiche complesse. È una strada alternativa rispetto al pixel binning utilizzato nei sensori Samsung ISOCELL, che combina il segnale di più fotodiodi per migliorare le acquisizioni in condizioni difficili.

Dalle immagini RGB alla visione artificiale tridimensionale

L’aspetto probabilmente più interessante di Holocoder non riguarda però la fotografia tradizionale: un robot autonomo deve identificare oggetti, stimare distanze e interpretare le superfici; un’immagine RGB, da sola, non fornisce direttamente tutte queste informazioni.

Le architetture attuali possono affiancare alle telecamere sensori Time of Flight (ToF), sistemi stereo o illuminatori infrarossi: ogni componente aggiunge ingombro, consumo energetico, costi e operazioni di calibrazione. Holocoder promette invece canali RGB, infrarossi e profondità già allineati spazialmente, acquisiti con una singola fotocamera e sfruttando l’illuminazione ambientale, senza richiedere una sorgente luminosa attiva.

Per droni, robot mobili e sistemi industriali potrebbe significare moduli ottici più compatti e meno elaborazioni per integrare dati provenienti da sensori differenti.

Metalenz possiede già competenze nella rilevazione della polarizzazione attraverso la piattaforma PolarEyes, utile a ricavare informazioni sulle proprietà delle superfici.

L’integrazione delle tecnologie PxE amplia quindi le possibilità della cosiddetta Physical AI: sistemi intelligenti capaci di utilizzare misure fisiche della scena, oltre ai normali pixel colorati.

La produzione su larga scala rappresenterà, ovviamente, il passaggio decisivo: Metalenz utilizza processi compatibili con le fabbriche di semiconduttori, ma la compatibilità industriale non garantisce automaticamente costi competitivi, rese produttive elevate e prestazioni uniformi.