Evoluzione degli otturatori.

[Michele Azzali]

Sull'ultimo numero di LFI c'è un articolo secondo me molto interessante, che illustra le differenze fra i tipi di otturatore nelle fotocamere e spiega dove stiamo andando in questo campo.
Per interesse personale mi sono preso la briga di studiarlo, tradurlo ed integrarlo in alcuni punti per una lettura più comprensibile.
Ve lo propongo anche se la prima parte, sugli otturatori meccanici, è materia certamente conosciuta da molti di voi.
Fra qualche giorno verrà spostato nell'archivio tecnico. Intanto eccolo qua:


EVOLUZIONE DEGLI OTTURATORI: Testo modificato, integrato e tradotto da un articolo di Michael J. Hussmann in LFI 7.2017, pp. 82 – 86.

Nella storia della fotografia sono stati adottati differenti metodi per far partire e quindi fermare l’esposizione, e diversi di questi sono utilizzati in alcune fotocamere Leica. In futuro gli otturatori meccanici potrebbero lasciare il posto ad un otturatore rapido, silenzioso ed interamente elettronico.

Assieme al diaframma, l’otturatore determina la quantità di luce che raggiunge il sensore. Ma proprio come il diaframma, oltre al controllo dell’esposizione esso assolve anche ad un altro scopo. Mentre il valore f-stop definisce anche la profondità di campo, l’otturatore è in grado di fermare sia il movimento del soggetto che quello della fotocamera. Questo secondo fine è molto più difficile da raggiungere del primo, e i diversi tipi di otturatore si differenziano in base alla capacità di “congelare” il movimento senza introdurre disturbi.

OTTURATORE A TENDINA (SUL PIANO FOCALE). E’ sicuramente il tipo più comune; si trova sia nelle fotocamere reflex che in quelle a telemetro. Come dice il nome, l’otturatore è posizionato sul piano focale, o meglio nelle sue immediate vicinanze. Due tendine scorrono davanti al sensore, aprendo e chiudendo il percorso della luce. In origine per realizzare le tendine si utilizzava della tela gommata a tenuta di luce, ma i progetti si sono modernizzati passando alle tendine metalliche, perchè queste sopportano meglio gli strappi a cui sono sottoposte nel rapido movimento.

La velocità delle tendine è un parametro importante che caratterizza un otturatore, ma non ha influenza diretta sul tempo di esposizione. Alla pressione del pulsante, prima che avvenga lo scatto, il sensore è coperto dalla prima tendina. In questo modo tutti i pixel sono resettati e il sensore è una lastra pulita. Poi la tendina inzia a muoversi, scoprendo il sensore sempre di più. Una volta trascorso il tempo di esposizione impostato, la seconda tendina, fino ad allora riposta nell’alloggiamento, segue la prima chiudendo nuovamente il percorso. Fra le due tendine rimane aperta una fessura che lascia esposta una parte del sensore e che viaggia con le tendine lungo la superficie del sensore stesso - di qui il nome tedesco dell’otturatore sul piano focale: “Schlitz-Verschluss” (otturatore a fessura).

Dato che il sensore rimane esposto attraverso questa finestrella fra le due tendine in movimento, le diverse parti del sensore vengono esposte in tempi leggermente diversi. Ciò non ostante, il tempo per cui ogni pixel rimane esposto è lo stesso, poiché il ritardo fra la prima e la seconda tendina è uguale al tempo di esposizione selezionato. I soggetti in movimento potrebbero risultare deformati, dal momento che la parte alta del soggetto è catturata in un momento diverso dalla parte bassa (le tendine si muovono lungo la verticale). Con gli odierni meccanismi, dotati di tendine rapidissime, il problema è stato superato.

Le tendine di questo tipo di otturatore si muovono a velocità fissa, indipendentemente dal tempo di otturazione richiesto, che è invece determinato dalla larghezza della fessura, e la velocità delle tendine non ha nulla a che vedere col tempo di otturazione. Nei moderni otturatori per le fotocamere 35 mm le tendine impiegano da 1/180 ad 1/500 di secondo a percorrere tutti i 24 mm dell’altezza dell’immagine, mentre gli otturatori per medio formato impiegano tempi proporzionalmente più lunghi, a seconda della dimensione del fotogramma. I tempi di esposizione invece possono essere molto più brevi, di solito 1/4.000 o 1/8.000 di secondo. Con una piccolissima fessura fra le tendine si possono ottenere tempi di esposizione estremamente rapidi, ma solo in teoria. Infatti, oltre ad impedimenti di tipo meccanico, un limite pratico è costituito dalla diffrazione della luce creata dalla fessura.

Tuttavia, mentre il tempo di esposizione può essere molto più rapido della velocità delle tendine, il tempo sincro-X (tempo di sincronizzazione con il flash) non può esserlo. La lampada di un flash allo xeno si illumina solo per 1/1.000 di secondo o anche meno, in modo che la durata del lampo è più breve del tempo richiesto alle tendine per scoprire tutto il sensore. Il tempo sincro-X di una fotocamera viene stabilito in modo che la seconda tendina inizi a muoversi solo dopo che il piano focale è stato interamente scoperto e il flash possa esporre completamente tutto il sensore. In tal modo il tempo sincro-X corrisponde alla velocità delle tendine.
Mentre scorrono lungo il fotogramma, le tendine viaggiano a velocità pressochè costante. L’accelerazione dev’essere rapida, e una volta che le tendine hanno raggiunto la loro destinazione, la velocità va ridotta a zero in un tempo ugualmente breve. L’energia cinetica delle tendine deve essere esaurita in qualche modo, e parte di essa viene dissipata in forma sonora: a parità di condizioni, un otturatore più veloce è un otturatore più rumoroso. Quando la prima tendina sbatte contro il fine-corsa, le vibrazioni che ne derivano – il cosiddetto “micromosso” – possono compromettere la nitidezza dell’immagine. Questo inconveniente è amplificato dalle configurazioni con molti megapixel perchè un’alta risoluzione rende ancor più visibile lo sfocato provocato dalle vibrazioni.
Un otturatore a tendine offre sia vantaggi: tempi di otturazione rapidi, facile gestione dei soggetti in movimento, che svantaggi: tempi sincro-X relativamente lenti, rumorosità e micromosso.

OTTURATORE CENTRALE (A LAMELLE). E’ il secondo tipo di otturatore tradzionale. Deve il nome alla collocazione nel centro dell’obiettivo piuttosto che nella fotocamera. L’otturatore centrale condivide la posizione con il diaframma ed in effetti lavora proprio come un diaframma a due posizioni: aperto e chiuso.
L’apertura e la chiusura delle lamelle ha effetto sul sensore per intero, in modo tale che tutti i tempi di otturazione previsti possono essere utilizzati col flash. Tuttavia, anche se i tempi sincro-X sono più rapidi di quelli di un otturatore a tendine, anche in questo caso e in qualsiasi condizione di luce, i tempi di otturazione sono limitati ad 1/1.000 di secondo, come ad esempio negli obiettivi Leica S.

Anche se le lamelle di un otturatore centrale viaggiano a velocità maggiori di quelle di un otturatore a tendine, il più rapido tempo di otturazione ottenibile risulta più lungo, dato che il sensore deve essere interamente esposto nello stesso istante.
Le lamelle si chiudono intorno al centro dell’otturatore. Lamelle opposte si muovono in direzioni opposte, e in tal modo annullano le opposte energie cinetiche. Ciò elimina qualsiasi rischio di micromosso. Tuttavia non elimina il rumore, e un otturatore centrale può essere altrettanto rumoroso di uno a tendine, in relazione alle dimensioni, alla massa e alla velocità delle lamelle.
Nessun problema con soggetti in movimento, tempi sincro-flash rapidi ed assenza di micromosso sono i vantaggi di un otturatore centrale. Gli svantaggi sono: tempi di otturazione limitati e rumorosità.

OTTURATORE PROGRESSIVO (ROLLING SHUTTER). In tutte le moderne fotocamere digitali sono installati sensori accoppiati ad un otturatore elettronico (il termine “elettronico” qui va inteso in senso stretto, cioè “ad elettroni”, non "ad azionamento elettronico”. n.d.t.). Vengono utilizzati nel modo live-view e per registrare filmati. Sarebbe impossibile ottenere il necessario frame-rate con un otturatore a tendine.
Alcuni modelli, come ad esempio la Leica SL, sono dotati anche di otturatore elettronico come alternativa rapida, silenziosa e priva di vibrazioni per catturare immagini fisse. Un otturatore elettronico non è un vero otturatore, dal momento che non c’è nulla che viene fisicamente chiuso.

Il principio base del suo funzionamento è il seguente: ogni pixel del sensore viene continuamente colpito da un flusso di fotoni, ed ogni fotone rilascia un elettrone che viene immagazzinato nel pixel. Premendo il pulsante di scatto l’otturatore elettronico pulisce i pixel “sciacquando via” tutti gli elettroni immagazzinati. Una volta trascorso il tempo di esposizione impostato, ogni pixel viene letto e, mentre il flusso di fotoni continua senza interruzioni, la lettura non ne tiene conto.
I sensori CMOS sono caratterizzati da otturatori elettronici di tipo progressivo. Questo tipo di otturatore opera in modo sequenziale dall’alto al basso del sensore, come un otturatore a tendine. Riga dopo riga del sensore viene pulita, quindi, dopo il tempo di esposizione impostato, riga dopo riga viene letta. Ma le analogie con un otturatore meccanico terminano quando si tratta di velocità: un otturatore progressivo impiega un tempo più lungo di circa 10 volte rispetto ad uno a tendine per completare un’esposizione. Questo può sorprendere se si pensa che l’otturatore elettronico raggiunge velocità pari ad 1/16.000 di secondo ed oltre, ma mentre il tempo di esposizione di ogni pixel può essere notevolmente più rapido di un otturatore meccanico, esporre l’intero sensore richiede molto più tempo.

Un otturatore progressivo avanza troppo lentamente per consentire tempi di sincronizzazione con il flash. E’ anche soggetto a disturbi derivanti dal movimento: gli oggetti rapidi vengono deformati in maniera curiosa, come ad esempio le pale di un elicottero che risultano curvate a parabola. Inoltre, anche se l’oggetto non si muove affatto, muovere la fotocamera può condurre allo stesso effetto. Un tempo di otturazione veloce ed uno stabilizzatore di immagine possono evitare il mosso, ma la distorsione rimane.

Un altro problema è costituito dall’illuminazione a LED, diventata sempre più comune negli ultimi anni. Le lampade a LED sono sorgenti di luce efficienti e il loro spettro non evidenzia grosse lacune come nelle lampade a fluorescenza. Ciò le rende ideali per scopi fotografici, tranne quando si impiega un otturatore progressivo. Solitamente i LED funzionano ad impulsi, ma mentre il loro sfarfallio è invisibile all’occhio umano, dà origine a strisce visibili nelle immagini scattate con l’otturatore elettronico.

Tempi di otturazione estremamente rapidi, silenziosità ed assenza di micromosso sono i vantaggi di un otturatore progressivo. Gli svantaggi derivano dai soggetti in movimento o dai movimenti della fotocamera, dall’illuminazione ad impulsi e dall’incompatibilità col flash.

OTTURATORE SIMULTANEO (GLOBAL ELECTRONIC SHUTTER). Un otturatore elettronico ideale dovrebbe esporre ogni pixel del sensore nello stesso istante. E’ così che viene definito un otturatore simultaneo, perché l’esposizione comincia e finisce contemporaneamente in ogni parte del sensore. Far partire un’esposizione simultanea è semplice, come abbiamo visto nel paragrafo precedente, ma leggere il dato di ogni pixel nello stesso istante è un obiettivo estremamente impegnativo e la tecnologia dei semiconduttori non è ancora ad uno stadio così avanzato.
E’ possibile realizzare otturatori progressivi molto veloci nella lettura, diminuendo così il divario fra un otturatore progressivo ed uno realmente simultaneo.
Negli otturatori progressivi “standard” si trova un convertitore “da analogico a digitale” (analog to digital converter: ADC) per ogni colonna di pixel. Il sensore della Leica SL ad esempio è equipaggiato con 6.000 ADC. In particolari realizzazioni si possono adottare ADC multipli per ogni colonna, anche se moltiplicare il numero degli ADC vuol dire moltiplicare la quantità di dati da gestire ad ogni intervallo. Ciò richiede sensori stratificati, con livelli distinti per: raccolta degli elettroni, alloggiamento degli ADC, immagazzinamento dei dati digitali prima che questi vengano elaborati.

Tuttavia sensori con otturatori realmente simultanei esistono già, e sono stati in circolazione per diversi anni. Le fotocamere compatte, con sensori relativamente piccoli, installavano dei CCD interline-transfer con tempi di otturazione estremamente rapidi, fino a 1/32.000 di secondo, che erano utilizzabili anche come tempi sincro-X. Questi sensori montavano un pixel supplementare accoppiato ad ogni pixel fotosensibile. Dato che solo uno dei pixel di ogni coppia era sensibile alla luce, l’altro serviva solo ad immagazzinare un elettrone.
Durante un’esposizione i pixel fotosensibili raccoglievano elettroni, che al termine dell’esposizione venivano trasferiti al secondo pixel della coppia. Questi pixel potevano quindi essere letti in seguito, con tempi più gestibili. Dato che questi pixel di immagazzinamento erano schermati dalla luce, la loro carica non cambiava e quindi era indifferente effettuarne la lettura in sequenza o simultaneamente.

Anche i sensori CMOS posso essere configurati in tal modo, ed in effetti esistono sensori di questo tipo che fino ad oggi sono stati utilizzati solo in applicazioni industriali, perchè la qualità di immagine ottenuta non è adatta ad un uso fotografico. Infatti, avere due pixel che occupano il posto precedentemente assegnato ad uno solo riduce la capacità di ricezione degli elettroni a scapito della gamma dinamica e del rapporto segnale/disturbo.
Ciò costituisce un problema minore nei sensori CCD, relativamente semplici, ma è molto maggiore quando si tratta della complessa circuiteria di un sensore CMOS.

Tutti i principali produttori di sensori stanno lavorando a progetti di sensori simultanei per i chip CMOS, ed è solo questione di tempo che questi diventino disponibili per la fotografia.
L’otturatore simultaneo è una specie di sacro Graal nel campo della progettazione dei sensori, perché unisce tutti i vantaggi dei vari tipi di otturatore ma è privo dei loro svantaggi: tempi di otturazione estremamente rapidi, rapidi tempi sincro-X, nessun inconveniente con soggetti in movimento, assenza di micromosso. Ed è silenzioso.

[Andrea Podesta']

... Grazie Michele : molto interessante ....

[Ivan61]

Grazie Michele, direi illuminante per capire cose alle volte non sempre comprensibili se non si segue la tecnologia continuamente

[Umberto]

Anche oggi ho imparato qualcosa di nuovo...

[Emilio Vendramin]

Un ottimo lavoro.
Grazie Michele.

[nove]

grazie Michele, articolo che trovo interessantissimo...

otto.

[Ferruccio Lobba]

Gran bel lavoro ........ finalmente ho capito qualcosa di più di quello che poco sapevo sugli otturatori

Grazie !!!

[Massimiliano Liti]

Splendido articolo Michele GRAZIE MILLE!!!

[pgradaelli]

Molto interessante il contenuto dell'articolo. Ma un apprezzamento particolare a te che hai fatto un gran bel lavoro di traduzione!

[valerio.falzetti]

Grande Michele, grazie dell’informazioni.

Vale


Inviato dal mio iPhone utilizzando Tapatalk

[alezD]

Grazie mille per l'ottimo lavoro, veramente interessante!

[Giovanni De Rosa]

Grazie mille, gentilissimo.

[Michele Azzali]

Grazie a tutti per gli apprezzamenti. Preciso che la traduzione dell'articolo è integrata da chiarimenti cercati in alcuni siti internet (opportunamente vagliati) e leggermente modificata in alcune parti per renderla, secondo me, più comprensibile.

Per quanto riguarda gli otturatori meccanici anche il testo originale parla solo di sensori, ma ovviamente il discorso è valido anche per la pellicola. Gli otturatori elettronici (meglio: ad elettroni) invece hanno termini difficilmente traducibili in Italiano senza inesattezze: non si può chiamare "otturatore rotante (o rotolante)" il Rolling Shutter, ma per fortuna ho trovato chi ci aveva già pensato, ed io ho ripetuto il termine "otturatore progressivo" che si adatta molto bene al concetto.

Global Shutter invece mi sembra una stupidaggine, l'otturatore non è "globale" (d'accordo, siamo in piena globalizzazione, ma è un'altra cosa...), mentre "otturatore simultaneo" è molto più chiaro. Quì però mi sa che siamo i primi, in questo forum, ad utilizzare tale termine in Italiano. Che sia un'anteprima nazionale? In internet non ho trovato niente, se non l'articolo seguente, che riporta però un bello schemino (quello a metà pagina, coi quadratini) che fa capire bene le differenze fra i due tipi (anche se qui il "global" lo chiamano "total"...):http://www.videoreflex.org/rolling-shutter-a6300/
Di nuovo grazie a tutti e a presto. Fra qualche giorno questo argomento verrà spostato nell'archivio tecnico.