Gazeta Lodz - Metalenz acquisisce PxE Imaging: il filtro Bayer è davvero ai suoi giorni contati?

Metalenz, azienda statunitense specializzata nella produzione di lenti piatte realizzate con processi simili a quelli dei chip semiconduttori, ha completato l'acquisizione della startup israeliana PxE Imaging. Questa mossa strategica ha immediatamente riaperto il dibattito sulla sopravvivenza del filtro Bayer, quel mosaico di filtri colorati che da quasi cinquant'anni costituisce la base tecnologica per la registrazione dei colori nei sensori d'immagine digitali.

La tecnologia al centro dell'interesse è chiamata Holocoder, sviluppata da PxE Imaging. Secondo quanto dichiarato da Metalenz, questo sistema permetterebbe di eliminare completamente il filtro Bayer, portando sul sensore una quantità di luce pari a 2,5 volte superiore rispetto alle tecnologie attuali e consentendo, con la stessa fotocamera, di misurare anche la distanza degli oggetti. Tuttavia, l'analisi dettagliata del comunicato aziendale e dei brevetti associati rivela che l'applicazione primaria di Holocoder non è la fotografia consumer, ma il settore della "physical AI", ovvero l'intelligenza artificiale applicata alla gestione di robot, veicoli autonomi e droni.

Rob Devlin, amministratore delegato di Metalenz, ha discusso dell'argomento con Wired menzionando anche gli smartphone, indicando che i primi prodotti destinati a questo mercato sono previsti tra la fine del 2027 e l'inizio del 2028. È importante notare che Metalenz è già presente nel settore degli smartphone, ma finora con tecnologie diverse dai sensori di immagine principali. I brevetti di PxE Imaging descrivono compromessi tecnici che, nel contesto della fotografia tradizionale, potrebbero risultare più gravosi rispetto ad altri ambiti applicativi.

Metalenz è nata nel 2016 come spin-off dell'Università di Harvard e dichiara di aver distribuito oltre 300 milioni di ottiche a metasuperficie. Queste lenti piatte sono ricoperte da strutture microscopiche in grado di deviare la luce. Dal 2022, tali componenti sono montati nei sensori di distanza FlightSense di STMicroelectronics, utilizzati negli smartphone per funzioni come l'autofocus laser. Il prodotto con cui Metalenz intende entrare direttamente nel mercato dei telefoni cellulari è Polar ID, un sistema di riconoscimento del volto sviluppato in collaborazione con Qualcomm. Questo sistema sfrutta la polarizzazione della luce per distinguere un volto reale da una maschera o da una fotografia. Presentato nel 2023, Polar ID non è ancora arrivato su un telefono commerciale ma potrebbe farlo entro il 2027.

Il valore strategico di Holocoder per Metalenz risiede nella combinazione di informazioni cromatiche e di profondità. Attualmente, robot e veicoli autonomi che devono riconoscere oggetti e stimarne la distanza utilizzano sensori separati. Un software successivamente allinea i flussi di dati attraverso un'operazione chiamata "fusione dei sensori", che richiede una significativa potenza di calcolo. Con Holocoder, colore e profondità verrebbero raccolti dallo stesso sensore e già allineati. Devlin ha spiegato nel comunicato che possedere l'hardware capace di raccogliere informazioni nuove rappresenta il vero vantaggio competitivo per chi sviluppa modelli di intelligenza artificiale. Di conseguenza, la narrazione pubblica non presenta Holocoder come una minaccia immediata per il filtro Bayer nella fotografia degli smartphone o delle fotocamere mirrorless.

Nonostante ciò, Devlin ha affermato che la sua azienda ha già replicato Holocoder in laboratorio utilizzando le proprie metasuperfici e immagina, nel lungo periodo, un unico sensore capace di registrare simultaneamente colore, profondità e polarizzazione. È tuttavia molto probabile che il filtro Bayer abbia ancora una lunga vita davanti a sé prima di essere sostituito.

Per comprendere le implicazioni tecniche, è necessario analizzare il funzionamento del filtro Bayer. I fotodiodi di un sensore d'immagine contano la luce che li colpisce, ma non distinguono i colori. Per ottenere un'immagine a colori, viene posto sopra il sensore un mosaico di minuscoli filtri rossi, verdi e blu, uno per ogni pixel. Lo schema fu brevettato negli anni Settanta da Bryce Bayer, ricercatore della Kodak. Metà dei filtri sono verdi perché l'occhio umano è più sensibile a quel colore. Ogni pixel registra quindi un solo colore; i due mancanti vengono stimati dal processore osservando i pixel vicini, in un'operazione chiamata demosaicizzazione.

Il prezzo pagato per questa distinzione cromatica è la perdita di luce. Un filtro rosso lascia passare il rosso e blocca verde e blu, e lo stesso vale per gli altri colori. Secondo Metalenz, il filtro Bayer assorbe circa il 60% della luce che arriva sul sensore. Holocoder, invece, non utilizza filtri colorati ma sfrutta la diffrazione, il fenomeno per cui la luce cambia direzione attraversando strutture molto piccole. L'angolo di deviazione dipende dal colore della luce, ovvero dalla sua lunghezza d'onda.

Nei brevetti di PxE, lo strato Holocoder è una maschera con un motivo che si ripete in molte celle identiche, incise nel materiale per una profondità di uno o due micrometri. Ogni cella invia parte della luce sul gruppo di pixel sottostante e parte, intenzionalmente, sui gruppi vicini. Ogni pixel riceve così una miscela di luce in cui colori e direzioni sono mescolati diversamente. Conoscendo con esattezza la forma della maschera, un algoritmo risale ai colori della scena e alla distanza degli oggetti. La differenza sostanziale rispetto al Bayer è che la luce non viene filtrata e quindi non si perde, ma il colore non si legge direttamente e deve essere ricavato tramite calcolo.

Holocoder porterebbe sul sensore 2,5 volte più luce, che in termini fotografici corrisponde a poco più di uno stop. Uno stop indica una raddoppio della luce, equivalente alla differenza tra uno scatto a 1/50 di secondo e uno a 1/125. Questo rappresenta il massimo ottenibile da un sistema senza perdite: se il filtro Bayer lascia passare il 40% della luce, un sistema che non ne perde alcuna può teoricamente portarne sul sensore al massimo due volte e mezzo tanto.

Tuttavia, il guadagno sulla grana dell'immagine potrebbe essere più contenuto di quanto suggerito dal dato teorico. La luce arriva sul sensore in pacchetti distribuiti casualmente, producendo un disturbo che cresce più lentamente del segnale. Con 2,5 volte più luce, il disturso dovuto alla luce si riduce di poco più di un terzo rispetto al segnale. Nelle scene molto buie, dove pesa di più il rumore elettronico del sensore, il vantaggio sarebbe più ampio.

Nel singolo scatto, le alte luci dipendono dalla capacità dei pixel di accumulare segnale, che non cambierebbe. Con 2,5 volte più luce, i pixel si riempiono prima e, per evitare che le zone chiare vengano "bruciate", la fotocamera dovrebbe accorciare l'esposizione nella stessa proporzione. Di conseguenza, anche le zone in ombra ricevono la stessa luce di prima, e nel singolo scatto il risultato non cambia sostanzialmente. Il guadagno si tradurrebbe invece in un tempo di esposizione più breve, riducendo il mosso e permettendo agli smartphone di scattare più fotogrammi nello stesso tempo per fonderli in un'unica immagine.

Potrebbero sorgere complicazioni tecniche già osservate in tecnologie simili. I sensori Foveon X3, montati per anni dalle fotocamere Sigma, non utilizzano un mosaico di filtri ma tre strati di silicio sovrapposti. Raccolgono tutta la luce, ma i tre strati non separano i colori in modo netto e il processore deve sottrarre consistentemente un segnale dall'altro. I Foveon sono rimasti apprezzati a bassa sensibilità ma criticati agli ISO alti. L'ultima fotocamera con questo sensore risale al 2016; Sigma lavora da anni a una versione full frame che non è ancora pronta, con il rumore identificato come problema principale.

Holocoder mescola i colori deliberatamente e li separa con un algoritmo, quindi un effetto simile di amplificazione del disturbo è possibile. Quanto questo influisca dipende da quanto la separazione amplifichi il rumore, ma né PxE né Metalenz hanno pubblicato dati su questo aspetto specifico.

Un secondo problema riguarda la risoluzione. Nei brevetti esaminati, ogni punto dell'immagine finale corrisponde a una cella della maschera, e ogni cella copre un gruppo di pixel del sensore. Nel brevetto più recente del 2025, si indicano da 4 a 25 pixel per cella, con un esempio che ne impiega 9. Un sensore da 50 megapixel restituirebbe quindi un'immagine tra i 2 e i 12 megapixel circa. Nel caso migliore, questo non sarebbe un passo indietro: praticamente tutti gli smartphone con sensori da 50 megapixel già oggi raggruppano i pixel quattro a quattro (pixel binning quad bayer) e scattano a 12 megapixel per raccogliere più luce.

La differenza è che il raggruppamento sarebbe fisso, mentre oggi il telefono può tornare alla risoluzione piena quando la luce abbonda. Con gruppi più grandi, come quello dell'esempio, la perdita di dettaglio diventerebbe sensibile. Per un sistema che deve stimare distanze questo compromesso è accettabile; per la fotocamera di uno smartphone di fascia alta, molto meno.

W.Mroz--GL