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    Nuovo sensore Nikon da 1 pollice, stacked da 1000 fps e 134 db di dinamica

    Forse è un caso - ma magari no - che nelle scorse settimane siano comparsi su Nikonland alcuni articoli che anziché parlare di obiettivi e fotocamere come al solito, esplorano le capacità tecniche della ricerca Nikon nei campi della metrologia, della produzione di macchinari di precisione e nella progettazione in proprio di sensori.
    Lo abbiamo fatto per sfatare il mito di Nikon che si adatta alla tecnologia altrui perché incapace di sviluppare la propria.

    Rimarcare che Nikon ha un suo proprio reparto di progettazione che è attivo fin dal 1988 e che nel 1999 ha progettato e costruito un sensore allora all'avanguardia e a risoluzione eccezionale per il periodo, utilizzato praticamente nelle prime ammiraglie digitali D1 utilizzando la tecnica del pixel binning ci sembrava doveroso.
    Successivamente Nikon ha continuato a sviluppare le proprie conoscenze, ha registrato brevetti, scambiato licenze con i principali attori del mercato. E soprattutto ha continuato a fornire a tutto il mondo i propri scanner per microlitografia, gli stepper, che sono i macchinari con cui si producono i sensori di tutti i tagli.

    Sarà un caso o forse no che il 17 febbraio, Nikon abbia presentato all'ISSC di San Francisco (una manifestazione riservata al settore della circuiteria a stato solido) un suo nuovo sensore con capacità peculiari e per molti versi innovativi.
    Sul sito Nikon.jp c'è tutta la presentazione (qui, in giapponese)

    02_cmos_01.jpg

    è un sensore stacked, cioé che è composto da due strati impilati.
    In quello superiore ci sono i fotodiodi, in quello inferiore i circuiti di conversione, il buffer, la logica di lettura.
    Quindi durante la produzione la "stampata" deve essere fatta due volte (o più).

    E' quadrato da 4.224x4.224 pixel

     

    02_cmos_02.jpg

    in tecnologia CMOS ed è capace di operare in modalità video a 4K60p e in formato foto in due modalità, una fino a 60 frame al secondo ad alta dinamica, una a dinamica ridotta a 1000 frame al secondo

    02_cmos_03.jpg

    la presentazione Nikon mostra come l'evoluzione dei primi sensori vada dal formato HD (ricordo che la prima reflex capace di registrare video al mondo è stata la Nikon D90 del 2008) al 4K e verso il formato 8K.

    Ma le innovazioni sono anche nella struttura del sensore.

    Nikon ha introdotto nel 1982 il famoso sistema di lettura esposimetrica multipattern, poi evoluto nel matrix sviluppato fino ai giorni nostri.
    E' un sistema di lettura matriciale che divide in zone il fotogramma e lo analizza, dando una possibile lettura esposimetrica mediata tra luci ed ombre.

    Ma questo è comunque un sistema di misura che deve essere poi messo in pratica leggendo effettivamente la luce.
    Una media, per quanto sofisticata non sarà mai buona per tutto il frame, specie se abbiamo forti differenze di contrasto.
    E' per questo che poi in sviluppo interveniamo sulle zone dell'immagine per recuperare luci sparate o ombre troppo chiuse.

    Il nuovo sensore Nikon va oltre questo contesto, mettendo la matrice esposimetrica direttamente sul sensore e misurando ogni singola zona per esporre correttamente a seconda della luce che effettivamente arriva in ognuna di queste frazioni.

    In pratica il sensore è suddiviso in quadratini da 16x16 pixel, ognuno di 2.7 micron l'uno, e sull'intero sensore ci sono 264x264=69656 zone adiacenti.

    02_cmos_05.jpg

    la struttura complessiva del sensore, i blocchi esposimetrici da 16x16 pixel, i 264x264 blocchi nello strato superiore
    le unita di lettura e di controllo della logica nello strato inferiore impilato sotto a quello fotosensibile

    02_cmos_06.jpg

    la struttura elementare con due blocchi da 16x16 pixel che condividono ciascuno 16 convertitori analogico-digitali (ADC), il buffer di memoria, i controller di ciascun blocco, il clock di regolazione della lettura delle informazioni.

    Il complesso di controllo di questo sistema consente un flusso di informazioni di 4.8 Gigabit al secondo, più che sufficienti a saturare (finalmente !) le nostre CFExpress.

    Le applicazioni di questo genere di sistema sono molteplici.
    Immaginiamo una scena caratterizzata da elevato contrasto.

    02_cmos_08.jpg

    esponendo per le luci, avremo i bianchi sotto controllo ma ombre molto chiuse al limite del nero.
    Esponendo per le ombre avremo facilmente le zone più chiare sovraesposte con pericolose perdite di informazioni.

    Operando con la segmentazione a blocchi, in linea teorica ogni singolo blocco verrà esposto (per unità di tempo, a prescindere dal diaframma e dal tempo di scatto) affinchè questo riceva la corretta quantità di luce per avere una immagine che è HDR già in origine.

    02_cmos_07.jpg

    potenzialmente questo sembrerebbe "la morte della fotografia artistica" ma qui siamo in campo tecnico.
    Il tecnico ha il dovere di metterci a disposizione lo strumento, noi abbiamo la capacità di utilizzarlo per il meglio, anche andando comunque ad intervenire poi con lo sviluppo (in questo caso aumentando il contrasto complessivo della scena).

    Ricordo che parlavo di queste possibilità già su queste (o su altre) pagine una decina di anni fa, dicendo che la tecnologia finora si è limitata a sostituire la pellicola ma le modalità di utilizzo sono rimaste quelle di una volta.
    Mentre le esposizioni multiple automatiche possono portarci molto, molto oltre.

    Mentre nel campo della fotografia ad alta velocità, ricordo che con Marco Cavina si parlava delle fotocamere approntate da Nikon in ambito di ricerca balistica che già a cavallo tra anni '60 e '70 permettevano 500-1000 scatti al secondo (con la pellicola !).
    Qui Nikon ci è tornata, con un prodotto industrializzabile, in digitale.

    Bildschirmfoto-2021-02-17-um-12.16.59.png

    un esempio presentato da Nikon di una sequenza a 1000 scatti al secondo.

    Ovviamente in questa modalità il sensore perde di dinamica ma immagino che si utilizzerebbero i 1000 fps solo in condizioni di luce controllata, quindi senza problemi da quel punto di vista.
    Mentre a "soli" 60 fps questo sensore consente una dinamica che va oltre il visible (134 db di differenza tra il nero e il bianco).

    Unico limite del sistema è il formato. Per questioni di costo e di velocità di elaborazione è limitato al formato quadrato dentro al pollice idraulico (una vecchia misurazione anglosassone che deriva da quella dei tubi degli impianti idraulici di casa).
    Traslarla in formati più grandi è certamente possibile ma probabilmente la cosa avverrà per gradi.

    Ultimo punto che mi piace sottolineare, Nikon per produrre i prototipi di questo sensore ha usato uno stepper con passo da 65 nm, una misura inferiore ai soliti 90 nm che vengono usati per i sensori fotografici.

    ***

    Cosa significa tutto ciò e che ricadute potrà avere in campo fotografico ?

    La platea scelta per la presentazione di questo sensore credo che lo caratterizzi per un progetto di tipo industriale, quindi indirizzato ai sensori di misura e controllo dell'industria elettromeccanica e automotive-aeronautica.
    In quell'ambito i campi di applicazione sono limitati solo dall'immaginazione dei progettisti.

    In campo fotografico il formato da 1'' è ampiamente superato ma la disponibilità di questa tecnologia se verrà resa realmente in termini di produzione industriale si presta a scalabilità verso l'alto, magari limitandone le prestazioni.
    Perchè il compromesso del formato da 1'' come sappiamo è quello che ha consentito a Nikon di presentare mirrorless molto prestazionali con autofocus allo stato dell'arte ben prima degli altri (oramai parliamo di 10 anni fa).

    Andare verso formati più grossi richiede più energia, quindi più calore, capacità di calcolo superiore, software più sofisticato e più difficile da mettere a punto.
    Soprattutto grossi investimenti per rendere il tutto funzionale semplicemente per il fotografo che non è un tecnico di laboratorio ma un tizio che si attende che con un click, il tutto venga "magicamente" risolto dall'hardware che ha in mano.

    Una matrice identica in formato 36x24mm richiederebbe un sensore da  13.333x8.888 pixel = 118 megapixel. Più che sufficienti per coprire anche il 12K.
    Aumentando il pitch dei pixel si può operare un compromesso ma credo che la densità di informazioni qui sia un pre-requisito fondamentale.
    Inoltre non abbiamo idea di che tipo di autofocus ci voglia per scaricare a terra tutti questi megapixel. Per non parlare della montagna di Gigabit al secondo da leggere ed immagazzinare.

    Insomma, siamo ai confini della fantascienza ma - attenzione - questo non è un brevetto, è un sensore funzionale, pronto per lo sviluppo finale necessario per l'industrializzazione, se ci sarà mercato.
    E l'eventuale evoluzione per altri ambiti applicativi.

    Ma ci dice dove è seduta Nikon, che cosa stanno studiando i suoi ingegneri, cosa sono capaci di fare.

    Come abbiamo nel nostro piccolo cercato già di esplicitare nei due recenti articoli :

     

     

     

    Insomma, Nikon non è seconda a nessuno in questo campo, anche con le sole sue gambe.
    Altro che bancarotta e destino segnato.

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