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    Nikon, i sensori, l'industria giapponese

    Circolano da tempo miti e leggende al riguardo.

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    questo è il sensore della Nikon D5, progettato e sviluppato dal know-how Nikon, poi prodotto per conto di Nikon da Toshiba (oggi Sony Semiconductor).

    L'industria mondiale dei sensori è una comunità molto piccola. Dove tutti si conoscono e non si fanno la guerra, al contrario, condividono scoperte, tecnologie, brevetti e licenze.
    E soprattutto si confrontano regolarmente in simposi internazionali.

    Sviluppare un sensore è una cosa complicata che richiede molto denaro e molto tempo e dove ogni fallimento si paga caro, come ben sa Sigma che dopo aver annunciato il suo primo Foveon full-frame commerciale l'ha dovuto prima posporre e poi annullare perché concettualmente errato e non utilizzabile nella pratica.
    Ma è ancora più impegnativo produrlo quel sensore, perché richiede disponibilità di capitali immense e un mercato a disposizione in grado di far fruttare a pieno quel capitale.

    Dividiamo il discorso in tre : progettazione dei sensori, produzione e produzione delle macchine per la produzione

    • gli stepper

    Partendo dall'ultimo punto : la produzione delle macchine per la produzione dei sensori.
    I sensori vengono ricavati per stampa microlitografica di wafer di silicio opportunamente "drogati" secondo un processo simile a quello dei microchip elettronici e comune per certi versi alla stampa dei pannelli a cristalli liquidi dei nostri monitor e televisori, da quelli piccoli che costituiscono i mirino delle fotocamere fino ai megaschermi da oltre 100 pollici di diagonale.

    La microlitografia è un procedimento di precisione che prevede l'incisione nel wafer di una matrice progettata al computer. Questa matrice rappresenta la disposizione dei fotositi e dei loro contatti.
    I sensori moderni contengono al loro interno anche i convertitori AD, gli amplificatori e in alcuni casi anche la memoria tampone di lettura. Tutti dispositivi che vengono stampati da apparecchi che si chiamano stepper e che sono sostanzialmente degli incisori a raggi luminosi capaci di movimenti micrometrici molto precisi.

    Questi apparecchi, grandi dal formato di una lavatrice fino a quello di una lavanderia a gettoni, sono fondamentali per la produzione di massa ma anche per quella dei prototipi : non ci sono al momento procedimenti pratici industrialmente rilevanti che possano sostiturli.

    Sostanzialmente al mondo esistono quattro produttori di stepper : ASML, Ultratech, Canon e Nikon

    Asml è una costola di Philips e detiene circa i due terzi del mercato mondiale degli stepper specializzati per procedimenti ultraridotti per la produzione di microprocessori. I suoi clienti principali sono INTEL e AMD ed ha investite decine di miliardi di euro per sviluppare tecnologia in grado di portare alla produzione di macchine capaci di incidere piste a distanze di 14-10-7 nanometri.
    Ultratech è una società della Silicon Valley é una società molto piccola che lavora in settori legati alla ricerca e allo sviluppo di nuove tecnologie.

    Il restante mercato, quello legato alla produzione di microchip meno complicati dei grandi microprocessori, tipo le memorie, i convertitori e in generale tutti i chip di uso comune in tutti i dispositivi elettronici, insieme ai sensori di immagine, é diviso tra Canon e Nikon che fanno valere la loro tradizionale capacità di ingegneria ottica.
    Canon e Nikon vendono stepper a chiunque ne abbia bisogno e sospetto che la stragrande maggioranza dell'elettronica e degli schermi che abbiamo intorno nella nostra vita quotidiana, sono prodotti con stepper o Nikon o Canon.
    Nikon non ha avuto la lungimiranza né la forza di impegnarsi negli investimenti necessari per lo sviluppo della tecnologia UltraUV che è rimasta in mano ad ASML, probabilmente perchè un affare troppo grande per la sua dimensione storica ed ha preferito dedicarsi alla sua tradizionale produzione meno esasperata ma sicura (Intel sta vedendo i sorci verdi per passare dal processo produttivo da 12nm a quello da 7nm ... e Intel ha budget simili al PIL di intere nazioni industrializzate)

    Uno stepper è un dispositivo importante, di costo rilevante. Nikon produce negli anni migliori 50-100 stepper, fatturando un ricavato che sfiora il 50% delle sue vendite totali (709 miliardi di Yen nel 2019).
    Un vecchio stepper classe 1997 ricondizionato, se vi interessa, viene intorno al milione e mezzo di dollari, installato in casa ... al pezzo. Figuriamoci cosa costa un modello nuovo come questo :

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    Uno stepper Nikon NSR-S635E

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    la targhetta sul retro di un Nikon NSR 4425i installato in uno stabilimento Samsung che produce dal 2010 disply per smartphone

    Capirete l'importanza di questa industria - quella degli stepper - e il loro valore strategico per la restante industria elettronica. Nikon fa parte di questo ristretto club. Nemmeno Sony si produce stepper per se ma li compra ... da Nikon.

     

    • la produzione dei sensori

     

    i sensori di immagine sono prodotti dentro stabilimenti di elettronica del tutto analoghi a quelli che producono microchip.
    Ci sono camere a polvere dove sono installati gli stepper di produzione che stampano per conto dei clienti i sensori.
    Che poi vengono puliti, sgrossati, selezionati, tagliati, rifiniti e confezionati per essere spediti al committente.

    La gran parte delle fabbriche di produzione è in Asia con piccole società ancora attive in California e in Israele.
    Ogni fabbrica costa investimenti che partono da 1 miliardo di dollari, devono produrre a pieno regime per essere redditizie.
    La gran parte della produzione è attualmente indirizzata verso la produzione di display di vario taglio.
    I produttori sono per lo più specializzati, chi lavora per il settore automotive, chi per i display, chi per i sensori veri e propri.
    E nei sensori ci sono i marchi che lavorano più per il piccolo formato (Samsung) e chi si occupa anche di quelli in grande formato (prevalentemente Sony Semiconductor che ha quasi il 50% del mercato mondiale).

    Devo precisare per un ultima volta che Sony Semiconductor ha in comune con Sony-fotocamere solo l'azionista unico ma hanno partita iva e amministratore delegato differenti
    Peraltro Sony-fotocamere non è più una divisione a se stante ma fa parte dello Home Entertainment, insieme all'audio, l'home video e i telefonini di Sony. Insomma, settori non professionali.
    I settori strategici per Sony, quelli professionali, sono differenti da quelli per l'intrattenimento.

    I clienti dei produttori di sensori e microchip sono tutte le società mondiali di produzione dell'elettronica.

    Tra cui Sony-fotocamere-telefonini (che compra da Sony Semiconductor), Apple e Samsung (che comprano da Sony e da Samsung) e Nikon.
    Canon produce sostanzialmente per se perchè ha la dimensione per possedere una factory di produzione.
    Nikon invece compra dai suoi clienti. Ovvero vende a Sony Semiconductor (o a Tower Semiconductor) stepper mentre compra microchip e sensori di immagine (e display LCD etc. etc.) prodotti per suo conto.

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    questa è una ripartizione grossolana delle quote di mercato al 2019 dei principali produttori di sensori (OmniVision é una società cinese con sede a Santa Clara in California che produce per Apple, Microsoft, Qualcomm etc.).

    Le fabbriche di microchip sono impianti che sforano più sulla fantascienza che la realtà che conosciamo. Sono custodite con religiosa sicurezza ed è raro vedere immagini del loro interno o degli impianti in esse contenuti che possiamo solo immaginare nel loro bianco candore e pulizia integrale a prova di singolo granello di polvere

     

    • la progettazione dei sensori

    Come abbiamo visto non ci sono guerre tra i produttori di microchip e di sensori ma solo concorrenza industriale e commerciale. Spesso ci sono schermaglie legali (come la doppia causa di Nikon contro ASML e quella di ASML contro Nikon e Zeiss) che generalmente sfociano in scambio di licenze e brevetti. Licenze e brevetti non coprono segreti industriali perchè quelli sono divulgati nella comunità scientifica ma coprono il loro sfruttamento commerciale. Ricordo le sentenze a favore di Rambus che senza produrre nemmeno un microchip deteneva i diritti di produzione degli slot di memoria DRAM di tutto il mondo e pretendeva che tutti le pagassero le royalties, arrivando al massimo livello di giudizio alla Corte Suprema degli Stati Uniti.
    Tanto che uno è cliente dell'altro. Persino Canon che è molto gelosa del suo marchio e del suo prodotto, quando ha avuto bisogno di sensori da 1'', li ha comprati già fatti da Sony.

    Ma anche nella progettazione nessuno lavora a compartimenti stagni. Le tecnologie di progettazione sono comuni o simili, i software di modellazione (necessari per risparmiare sui costi di sviluppo fisico che richiedono la stampa effettiva di sensori con costi di impianto non ammortizzabili se il sensore poi non va in produzione) è di pubblico dominio, la formazione avviene nelle stesse università.

    Anche perchè gli ingegneri sono abituati a lavorare in team, anche di tipo inter-societario sia per la parte hardware che per quella software e in questi casi c'è la condivisione totale delle informazioni

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    il team di ingegneri dei sensori di Nikon in una sessione comune di confronto

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    sviluppo dei firmware Nikon

    e comunque il solco di progettazione per i sensori mainstream che vengono impiegati nelle nostre fotocamere non si può discostare molto da quello della progettazione permessa dagli stepper a disposizione che è in linea principale rivolta a produrre display LCD.

    Un sensore è composto dallo strado fotosensibile, da quello delle microlenti sovrastante, dalla matrice RGB ancora sopra e sotto, dalla circuiteria di amplificazione del segnale, dai convertitori Analogico-Digitale ed eventualmente dalla presenza o meno di un buffer direttamente inciso nel sensore.
    Le caratteristiche del sensore sono di base e poi possono essere personalizzate.

    Ci sono moltissime società al mondo in grado di progettare sensori, poche che sono specializzate nella progettazione di sensori di grande formato. Questi sensori (diciamo dal formato APS-C in su) sono caratterizzati da prestazioni elevate ma anche da scarto crescente (il costo dei sensori in formato 44x33 o 53x40mm non è dovuto alla superficie impiegata ma alla bassa resa di ogni singola stampata, sia per il basso numero dei sensori prodotti che, soprattutto, per la quantità di sensori con qualche tipo di difetto per stampata che vanno scartati o impiegati per usi non commerciali) e da difficoltà (e costo) di messa a punto crescenti.

    Ci vuole il budget necessario per svilupparli e poi impiegarli.

    Al momento solo Sony Semiconductor (che non è Sony-fotocamere) ha il budget per sviluppare sensori conto terzi, ovvero sensori che non utilizzerà in proprio (anche perchè Sony Semiconductor produce esclusivamente conto terzi) ma che verranno ordinati da clienti.
    In particolare tutti i sensori medioformato al mondo sono sviluppati e prodotti in piccola serie da Sony Semiconductor.

    Canon e Nikon hanno capacità di progettazione propria di sensori di formati fino al 35 mm. Potrebbero anche andare oltre ma con costi difficilmente ammortizzabili in apparecchi di prezzo "commerciabile". Anche se un esemplare unico è sempre possibile a costi milionari, ovviamente.
    Canon poi si produce da se. Nikon se li fa produrre da uno che possiede la capacità produttiva con la qualità attesa da Nikon. Paradossalmente Nikon potrebbe anche rivolgersi a Canon per farsi produrre dei sensori Nikon (attenzione, non sto dicendo che Nikon comprerebbe sensori Canon ma che Canon produrrebbe sensori Nikon PER Nikon, una cosa diversa).

    Canon ultimamente si è detta disponibile a vendere i propri sensori ad altri.

    In quanto agli altri produttori di fotocamere a me risulta che :

    • Sony-fotocamere si progetta da se i suoi sensori che fa produrre a Sony Semiconductor (ovviamente) oppure compra a condizioni di mercato sensori già pronti progettati da Sony Semiconductor (con cui non condivide gli ingegneri ma c'è scambio di informazioni e i brevetti e le licenze sono ovviamente comuni)
    • Panasonic adesso è cliente di Sony per i sensori a bassa risoluzione, progetta quelli ad alta risoluzione e li fa produrre a Sony o a Tower (come fa Nikon)
    • Leica ha sempre acquistato sul mercato i suoi sensori, in passato in Europa, oggi credo che sia legata a Panasonic in tutto
    • Fujifilm utilizza sensori Sony personalizzati nelle microlenti, nella matrice RGB (sia Bayer che non Bayer) e nella matrice della rilevazione di fase dell'autofocus) e nell'amplificazione
    • Olympus compra da Sony
    • Sigma compra da Sony per la Sigma fp, fa progettare a Foveon i suoi sensori a tre strati che poi vengono prodotti in una piccola fabbrica californiana (Foveon sta in California ed è di proprietà 100% Sigma)

    Nikon e Sony possiedono licenze e brevetti incrociati. Ricordo che le prime Sony usavano autofocus solo a differenza di contrasto. La rilevazione di fase è arrivata quando Sony ha fatto scambio di licenze con Aptina e Nikon che hanno dato in dote quanto sviluppato per le Nikon 1.
    Stesso discorso per quanto riguarda l'amplificazione dual-gain, tipica dei sensori Sony e Nikon, ultimamente applicata anche da Canon che deriva direttamente dalle licenze di Aptina acquisite quando Aptina è uscita dal mercato nel 2014 (la tecnologia di base veniva peraltro da STM Micro a testimonianza che in questo campo non ci sono steccati, tutto è in vendita e tutto si può comperare).

    La migliorata capacità dinamica degli ultimi sensori Canon testimonia che tema diversi di progettisti possono arrivare allo stesso risultato impiegando la tecnologia opportuna.

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    l'interno di una Nikon D5 : ogni singola board è progettata in casa da Nikon

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    simulazioni sulle capacità di trasmissione della luce di un sistema di microlenti per sensore da parte dello sviluppo Nikon

    Quindi eliminato il mito che Nikon non ha capacità progettuali andiamo a vedere che capacità effettive ha.

    Il primo sensore Nikon di grande produzione era un CCD da oltre 10 megapixel, quello della Nikon D1.
    Progettato interamente in casa, dopo gli esperimenti con Fujifilm per la serie E, era poi prodotto "in casa" da Renesas, factory del gruppo Mitsubishi.
    Mitsubishi ha deciso che il settore non era produttivo e lo ha venduto (la factory perchè Renesas è ancora in piena attività ed è tra i leader dei microchip per l'automotive) a Sony.
    Quel sensore veniva usato in binning in vari formati anche in D1h e D1x. Probabilmente è il primo esempio di binning in una fotocamera moderna.

    Stessa capacità di innovazione il famoso sensore jfet lbcast da 4 megapixel della Nikon D2h, prodotto materialmente da Kodak ma progettato totalmente da Nikon nel 2003 con una tecnologia inedita.

    E via via fino alla Nikon D850 e il suo sensore che è stato aggiornato poi per la Nikon Z7-Z7 II e che possibilmente equipaggerà in una versione rinnovata anche la Z8/Z9. Prodotto da Toshiba finché Toshiba non ha venduto i microchip a Sony.

    Nel mezzo Nikon ha trovato conveniente acquistare da Sony molti sensori, tra cui quello da 6 megapixel che ha motorizzato le prime DX consumer - D100-D70 - e quello più recente delle D7100-7200 da 24 megapixel che è comune al Sony coevo.

    Mentre il sensore DX di D500-Z50-D7500 è di Nikon, ancora prodotto da Toshiba o da Tower a seconda dei lotti.

    Come accennavo lo sviluppo di un sensore è un processo complesso e soprattutto lungo. Il software di modellazione al computer accelera i passaggi ma poi questi vanno verificati producendo una piccola serie del sensore che va testato effettivamente su muletti e prototipi. Generalmente un sensore viene finalizzato un anno prima della produzione di una nuova fotocamera.
    Progettazione e sviluppo costano ore-uomo di lavoro e costano materialmente l'impianto di una matrice che va poi stampata in piccola serie.
    Chi ha prodotto un libro in proprio sa che il costo di impianto è la parte più elevata della stampa e questa poi va ripartita per il numero di copie. Un conto è stampare un libro in copia unica, un conto è farne 10.000.000 di copie.
    Se poi è necessario apportare modifiche alla matrice per qualche tipo di problema riscontrato dal vero e non dal modello, il processo va ripetuto (come se si trovassero degli errori di stampa dopo aver stampato il primo esemplare del libro : va modificata la matrice e reimpostata la stampa, che magari prevede una numerazione di pagine diverse etc. etc.).

    Quindi non è possibile sviluppare un sensore per una sola macchina e un sensore per una macchina a "bassa tiratura" costerà molto di più di un sensore che andrà in più modelli di macchine o in macchine prodotte in un numero di esemplari superiore.

    Nikon ha know-how, personale e capacità di sviluppo proprie ed è anche in grado di produrre in casa prototipi e testarli, misurarli, metterli a punto.
    Capacità che condivide con poche altre case (appunto : Canon, Sony, Panasonic e pochi altri a questo livello).

    Dove sta la differenza tra modelli concorrenti di produttori diversi ?

    Sta nell'equilibrio tra costi di sviluppo e di impianto, numero di esemplari da produrre, budget, margine di ritorno atteso.

    Nikon è il produttore "completo" più piccolo tra i tre grandi ed ha meno risorse da bruciare per modelli differenti. Ha la necessità di ottimizzare gli investimenti su più esemplari (leggi : riciclo di sensori tra più generazioni di macchine) e non può rischiare di anticipare i tempi.

    Nikon non ha alcuna difficoltà a progettare e produrre un sensore stacked come quello di Sony A9-A9 II e A1. Ma se non l'ha ancora fatto nemmeno Canon ci saranno difficoltà di natura commerciale e industriale, non necessariamente di know-how.
    Perchè Nikon potrebbe anche chiedere a Sony Semiconductor di produrglielo. Ma quella chiederebbe un contratto fisso con un numero di pezzi da produrre in N giorni. Che andrebbero pagati e poi dovrebbero essere utilizzati e, possibilmente, venduti.
    Per farlo dovrebbe avere un mercato ricettivo e pronto al prodotto.
    Che facilmente non costerebbe cifre che questo mercato sarebbe capace di accettare.

    Stessa questione per il cosiddetto global-shutter, già disponibile industrialmente ma che io ricordo sia stato detto che il costo unitario "all'ingrosso" per un sensore da 40 megapixel GS è pari a 6.000 dollari più le tasse.
    Immaginiamoci quindi quanto costerebbe una fotocamera il cui sensore da solo costa $6.000.

    Infine, la tecnologia avanza ma avanzano anche le potenzialità che questa può esplorare.
    Il formato 8K necessità di densità elevate di risoluzione ma in Giappone il formato 8K è già mainstream e si guarda avanti al 12K (80-96 megapixel a seconda che il formato sia 16:9 o 4:3),
    Seguire il mercato con lo sviluppo dei sensori è già impegnativo.
    Anticiparlo può essere geniale ma anche folle.

    Quello che vorrei fosse chiaro è che sono miti e leggende che Sony, Nikon, Canon, Samsung, ASML, Nec, si facciano la guerra e siano gelose dei loro segreti. Nascono tutti dalla stessa sorgente e vengono condivisi a livello scientifico in simposi mondiali.
    E' un circolo ristretto di una manciata di operatori con queste capacità progettuali e industriali.

    Di cui Nikon fa parte a pieno e meritato diritto da decine di anni. Senza se e senza ma. Nikon è una società in grado di progettare dispositivi industriali di costo unitario dell'ordine dei milioni di dollari (al plurale). Che volete che sia una semplice fotocamera ?
    Solo una questione di ripartizione dei costi di progettazione, produzione e promozione, oltre che di opportuno time-to-market per far in modo che abbia un prezzo compatibile con il nostro portafogli.

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    Recommended Comments

    • Nikonlander Veterano

    Articolo molto interessante, risponde ad alcune domande che mi facevo sulla questione degli stepper e dei processori.
    Ho provveduto a condividerlo in giro.

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    • Nikonlander

    Eccellente articolo che  sviluppa in modo esauriente il complesso mondo dei sensori e ravviva, come non mai, il marchio NIKON.  Grazie a M.M.

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    • Nikonlander Veterano

    Ci ho messo un po' a leggerlo con calma per non perdere niente di quello che hai scritto, tempo investito bene.
    Non mi ero mai posto la domanda di cosa ci fosse dietro la progettazione di un sensore per le nostre Nikon, o meglio davo per scontato molte cose che invece non lo sono.

    Grazie

     

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    • Nikonlander

    Per chi fosse interessato: su IMAGE RESOURCE vi e' un articolo dettagliato su "PIXEL FOR GEEKS" -"sbirciatina ne laboratorio di progettazione dei sensori super segreti di NIKON.

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    • Administrator

    Grazie a tutti.
    Intendiamoci, non ho scritto nulla di originale, solo riassunto in un unico articolo, argomenti che abbiamo affrontato più volte in questi 15 anni, a beneficio di chi non si è mai domandato chi sia quel marchio a cui ha dato decine di migliaia di euro negli ultimi decenni.

    Vorrei ricordare che una volta Nikon produceva per la vendita al dettaglio solo binocoli, microscopi e telescopi amatoriali. Tutto il resto era per l'industria bellica. La conversione ad industria civile è avvenuta - giocoforza - nel 1946 ma la vocazione di fornitore industriale è rimasta intatta.
    Per Nikon è di gran lunga più facile lavorare attorno ai sistemi optronici di una satellite o di una sonda spaziale che su un apparecchio destinato al grande pubblico da vendere a meno di €500 ;)

    Quando leggete altrove cose tipo "Nikon sta fallendo", "Nikon smetterà di produrre fotocamere", etc., non fateci caso. Nikon è ancora troppo radicata di un segmento che per decenni l'ha identificata come "la macchina fotografica" per rinunciare ad un ritorno d'immagine del genere. Per cui si sta trattando solo di una delle tante periodiche ristrutturazioni industriali che sono necessarie per adeguarsi alla domanda esterna (riduzione dei volumi, aumento del valore del singolo prodotto, riduzione di fabbriche e manodopera con incentivi, lancio di nuovi prodotti in sostituzione di quelli non più richiesti dal mercato) che stiamo vedendo in questi anni.

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    • Administrator

    Brevetto Nikon per un sensore stacked (è del 2018 !) :

     

     

    Nikon ha depositato un brevetto per il sensore di immagine CMOS BSI stacked, i sensori CMOS stacked sono migliori del sensore CMOS BSI perché hanno un chip di memoria integrato che consente una lettura più rapida dei dati.

     


    [Pubblicazione n.] JP 2018-67965 (P2018-67965A) Fare clic qui
    [data di pubblicazione] 26 aprile 2018 Data (2018.4.26)
    : dispositivo di rilevamento delle immagini e dispositivo di rilevamento delle immagini Struttura del sensore Circuito elettrico nikon-stacked-CMOS-sensor.jpg.57c589de41b7298db1737711360ee1e4.jpg

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    • Administrator
    19 minuti fa, Gianni54 ha scritto:

    Nikon ha annunciato lo sviluppo di un nuovo sensore CMOS impilato da 1 inch in grado di scattare 1000 fotogrammi al secondo (fonte Mirrorless Rumors).

    Qui il Link: Nikon announced the development of a new 1inch Stacked CMOS Sensor that can shoot 1000 frames per second - mirrorlessrumors

    Porc. l'avevo letto altrove ma mi era sembrata una bufala !
    Ma allora ... ? Avremo presto una nuova Nikon 1 da 1000 scatti al secondo ? :dentone:

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    • Administrator

    Si tratta di un sensore CMOS con stack BSI da 18 mp e 1 "in grado di supportare 1000 fotogrammi al secondo, estensione della gamma dinamica di tipo HDR (fino a 134 dB, o 22+ stop di DR ingegneristico) e una dimensione dei pixel di 2,7 micron quadrati. Il chip sperimentale descritto è stato apparentemente fabbricato su uno stepper da 65 nm, che è generalmente più piccolo di quello utilizzato per sensori di grandi dimensioni al momento.
    Probabilmente è un sensore pensato per impieghi industriali (controllo di produzione/saldature, misurazione etc.).
    Quindi destinato a terzi e non per scopi fotografici Nikon.

    Il che conferma il nostro punto di vista sulla capacità autonoma di sviluppo dei sensori di immagine ... di qualunque tipo.

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