direzione-ostinata-scegliere-macchina-fotografica-digitale

Come scegliere una macchina fotografica digitale – parte uno9 minuti di lettura

…ovvero: i Sensori!

1.1  Dalle pellicole ai sensori

Ai tempi dell’analogico la parte più critica del processo fotografico (insieme alla scelta degli obiettivi) non si svolgeva insieme all’acquisto della macchina fotografica, ma riflettendo le necessità del momento: le pellicole si compravano a colori o in bianco e nero, più o meno sensibili, di differenti qualità e, soprattutto, si compravano di volta in volta, non una volta per tutte.

Erano quindi la necessità del momento ed il prezzo a guidare, oltre al gusto personale, perché, come sanno bene i più esperti, per ogni produttore e prodotto si tendeva a riconoscere un carattere che si ricercava o a cui ci si affezionava (chiedere a RaffaelloD per maggiori dettagli).

Nelle mie giovanili scoperte fotografiche andavo pazzo per un piccolo negozio zeppo di pellicole dietro al bancone di legno: Kodak, Agfa, Ferrania, Fuji, Konica…ogni scatoletta conteneva un mondo da scoprire, una lente sul mondo con colori, grana e definizione tutta sua. Pellicole ecomiche, care, prestigiose, sconosciute, da proiettare…

direzione-ostinata-pellicole

Reperto storico giunto sino a noi!

Adoravo questo mondo lento, analogico ed un po’ misterioso, pure quella attesa – sempre troppo lunga – tra la fine del rullino e il vedere il risultato per la prima volta; ogni volta la fatidica domanda: “Chissà se mi perderanno il rullino?” e poi mi ritrovavo le foto stampate tra le mani ed ero sollevato ed impaziente, a volte deliziato e spesso deluso mentre le scorrevo uscendo dal negozio non riuscendo ad aspettare di arrivare fino a casa!

Il rischio di perdere le nostre fotografie oggi non si corre più (a meno di disastri tecnologici, chiedere a ChiaraF per maggiori dettagli) perché, come molte altre cose lente, la fotografia analogica è quasi sparita e anche se tanti fotografi provano molta nostalgia per tutto questo – forse anche McCurry che ha scattato con il suo consueto stile sull’ultimo rullino prodotto da Kodachrome – l’analogico oggi è eufemisticamente una nicchia e la gran parte dei fotografi, anche di altissimo livello, utilizzano macchine digitali; anche per McCurry è stato così, come rivela in questa intervista.

Del resto a parte le nostalgie, le scatolette e le caratteristiche così evocative di ogni film, l’idea che nel mio sensore abbia tutti i viraggi di colore e tutte le sensibilità dell’intero parco pellicole del negozietto che amavo, sarebbe sufficiente a far passare molti al digitale; e non menziono gli altri mille vantaggi, visto che questa è una guida all’acquisto delle macchine digitali.

Ad ogni modo torneremo sul confronto tra analogico e digitale, ancora vivace dibattito tra gli appassionati, in uno dei prossimi articoli del blog, dopo questa guida.

Adesso parliamo di sensori!
Perché? Ma perché questo è il primo elemento da scegliere con cura quando si compra una nuova macchina fotografica!
Tratteremo il tema in maniera completa, nel senso più ampio di elaborazione delle immagini.
Partiamo con la parte più noiosa, cioè le qualità dei sensori e le tecnologie e vi assicuro che, se resisterete a questa parte, avrete capito tutto delle fondamenta e poi potremo scatenarci sui concetti di definizione, di formato e di cattura dell’immagine.

1.2 Sensori – introduzione

Di sensori digitali si parla dagli anni ’70, ma ci sono voluti 30 anni prima che la pellicola venisse largamente sostituita.

Un sensore o, per meglio dire in questo caso, un sensore ottico è un trasduttore cioè un dispositivo che converte segnali ottici in segnali elettrici: luce in elettroni. E già questo, per quanto sterile e criptico, ci parla della caratteristica fondamentale di questo oggetto: il sensore parla “nativamente” la lingua dei bit, il che permette la enorme flessibilità a cui siamo abitutati oggi, dallo scatto con il cellulare alla pubblicazione su Facebook in due click.

direzione-ostinata-sensori

Dove sono i sensori? E le birre? Non facciamo scherzi eh!

Come ogni sensore, anche quelli di immagini devono avere delle caratteristiche tali da renderlo perfettamente sensibile a misurare le proprietà fisiche per cui è progettato ma – altrettanto importante – insensibile a quelle per cui non è progettato, ad esempio la temperatura: mi aspetto che la mia macchina funzioni egualmente bene con il caldo e con il freddo (e non voglio tenere i sensori in frigo per conservarli al pari delle pellicole…!).

Cosa deve fare un sensore perché funzioni bene? Ecco un elenco fondamentale dei suoi “deve avere”:

  • deve avere un elevato rapporto segnale/rumore: un esempio eclatante sono le foto a bassa luminosità dove compaiono degli artefatti ovvero se il segnale (la luce) è tenue, il rumore che proviene dal rumore di fondo degli elementi fotosensibili è più visibile;
  • deve avere adeguata dimensione fisica: sono quelle sigle misteriose APS-C, DX, Full Frame, ecc.;
  • deve avere elevato numero di pixel: questo è il famoso numero tanto caro al marketing di tutti i produttori di aggeggi che fotografano;
  • deve avere elevata gamma dinamica: gli intervalli di luminosità prima della saturazione;
  • deve avere buona pulizia dell’ immagine: no artefatti fra i pixel come, ad esempio, il famoso ma un po’ misterioso effetto moirè.

Tutto questo si traduce, passando dalla teoria alla tecnologia, in una varietà infinita di oggetti, che hanno avuto una evoluzione fortissima, basata su investimenti enormi e che oggi possiamo ridurre tranquillamente a due tipologie.

1.3 Le due tipologie, CCD e CMOS

direzione-ostinata-sensori

Schema rappresentativo del funzionamento dei due sensori

La luce colpisce la superficie del sensore, che può essere vista come una matrice (o una spugna, se vi piace di più), permettendo al sensore di leggere un valore. Per fare tutto questo ci si affida a una matrice di fotodiodi, perlopiù sviluppata in due modi:

  1. CCD (Charge-coupled device): la luce viene convertita all’esterno del chip, attraverso un convertitore analogico-digitale;
  2. CMOS (Complementary metal–oxide semiconductor): ogni fotodiodo ha il proprio amplificatore e convertitore A/D, quindi la luce viene convertita all’interno.

Queste due tecnologie hanno una caratteristica comune: contengono una matrice fatta da milioni di minuscoli fotodiodi.

La forza della corrente che si sviluppa è proporzionale alla luminosità della luce, quello che cambia è il processo di conversione:

  • nel CCD ogni singolo fotodiodo colpito crea una minuscola corrente elettrica. Un solo amplificatore esterno si occupa di amplificarla partendo dalla prima riga, dalla cella più vicina, lasciandola libera; dopo di che, colonna per colonna, la carica scorre al vicino e viene misurata; poi così, per la seconda riga, e così via.
  • nel CMOS ogni pixel ha il suo amplificatore e le cariche possono essere processate allo stesso istante, preparando il sensore alla prossima esposizione.
direzione-ostinata-sensori

CCD o CMOS…la risposta è dentro di te solo che è…sbagliata!

Verrebbe da pensare che i CMOS siano più veloci, con tanti (milioni) di amplificatori, ed è vero. Personalmente mi verrebbe pure da pensare che i CCD siano meno precisi o definiti dei CMOS che son pienissimi di amplificatori ed è falso: immaginate non migliaia ma milioni di piccoli amplificatori, ognuno collegato al suo sensore. È inevitabile che ci siano piccole variazioni nell’output di questi amplificatori lungo la matrice e questo crea rumore nell’immagine, quindi i CMOS sono (erano) più portati al rumore dei CCD amplificati da un unico oggetto comune a tutti i fotodiodi.

Un’altra caratteristica nascosta ma ben caratterizzante è la diversa sensibilità:

la sensibilità dei CMOS è (era..) minore dei CCD (tra l’altro questo portava a dover usare maggiore amplificazione, che portava a nuovo ulteriore rumore).

La ragione è che una parte della superficie è occupata dagli amplificatori (a differenza dei CCD dove tutto lo spazio del sensore è occupata da fotodiodi) e così c’è meno spazio per gli elementi sensibili.

Ultima ma la più importante per i costruttori: a sorpresa, nonostante i milioni di amplificatori, i CMOS costano costruttivamente meno. Non si può capire bene da qui, ma la ragione (en passant) è stata menzionata prima: i sensori CCD devono trasportare la carica attraverso il chip e quindi necessitano di un processo speciale per avere questa caratteristica, mentre i CMOS hanno processi tradizionali.

In sostanza sembrava che i CCD più cari e performanti fossero destinati a macchine di maggior pregio e i CMOS, più economici e rumorosi e meno sensibili, alla gamme più basse.

Ma qualcosa cambiò.

Ci fu un crescente interesse per il CMOS, in primis per il prezzo ed il basso consumo elettrico, in secondo luogo per la velocità.

direzione-ostinata-nerd

La regia mi comunica che sono tutti orgogliosi della mia nerdaggine!

Un esempio appassionante (per i nerd come me!) di questa lotta tra difficoltà e progresso è la storia dei sensori con la (amata/odiata/amata…) Canon: alla fine degli anni ’90, come abbiamo anticipato, i sensori CCD avevano ancora un significativo vantaggio in termini di qualità, sicché Canon si lanciò in una decisione coraggiosa, pensando di fare un investimento nel lungo periodo e affrontò subito i due problemi principali.

Come superare il problema del rumore?

La prima cosa che verrebbe in mente sarebbe pareggiare e rendere omogenei i milioni di amplificatori ma questo è quasi impossibile da ottenere. Trovò invece un metodo molto più ingegnoso (“lateral thinking”); ogni volta che si scatta una foto “difficile” si fanno, in pratica, due esposizioni: una al soggetto, la seconda con l’otturatore chiuso, serve per catturare il pattern del rumore. Se alla prima immagine si sottrae la seconda, ecco che si ottiene una immagine poco rumorosa.
Il vero incremento, però, fu molto più recente con la tecnologia backside illuminated CMOS dove grazie ad un artifizio introdotto da Sony veniva incrementata la quantità di luce acquisita e, di conseguenza, le prestazioni con scarsa luminosità.

direzione-ostinata-sensibilità

Essere troppo sensibili può essere davvero un problema…

Come superare il problema della sensibilità?

Come abbiamo visto il problema era dato dal minor spazio a disposizione per i fotodiodi. Di nuovo, la prima cosa che verrebbe in mente sarebbe fare circuiti più piccoli per lasciare più spazio ai foto sensori ma, ovviamente c’è un limite a questa riduzione (oltre che i costi di manifattura). Per superare questo limite vennero utilizzate milioni di microlenti poste a coprire fotodiodo e circuito così da incrementare la sensibilità del sensore.

I risultati furono evidentissimi e Canon iniziò a mettere il primo sensore CMOS sulle sue macchine: era il maggio del 2000 e la macchina era la D30.

Da allora tutte le reflex Canon uscite hanno usato solo sensori CMOS. Nikon ha indugiato molto di più e ancora nel 2009 produceva una Reflex entry level (D3000) basata su un sensore CCD. Ma fu l’ultima e oggi Canon e Nikon montano solo sensori CMOS.

Insomma, abbiamo parlato di qualcosa su cui non c’è molto da scegliere…ma era bene saperlo e pure capirlo per appassionarsi e per poter spendere -volendo e con piena coscienza- 27.500 dollari per questa macchina con un CCD da record, di 36.7 x 49.1 mm per 50megapixel:

direzione-ostinata-hasselblad

Ci piace vincere facile!

Ma di dimensioni e di pixel parleremo la prossima volta…

1 commento

Lascia un Commento

Vuoi partecipare alla discussione?
Fornisci il tuo contributo!

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *