Otturatore

by / mercoledì, 01 aprile 2020 / Published in Alta Fotografia, Fotografia, Francesco, Il blog

 

L’OTTURATORE

il dispositivo che permette di controllare la giusta quantità di luce per fissare una scena

 

L’otturatore può essere meccanico o elettronico, ed insieme al diaframma svolgono il compito di controllare la corretta esposizione alla luce della pellicola per le fotocamere tradizionali o del sensore per quelle digitali. Per questo compito è necessario gestire al meglio anche il tempo di esposizione della fotografia, per semplificare il discorso non teniamo conto della sensibilità ISO che supponiamo fissata e costante.

Prima di analizzarlo, insieme al diaframma, è necessario definire con precisione il concetto di esposizione.

Per ottenere una buona fotografia abbiamo bisogno di trovare la corretta esposizione (l’intensità luminosa per il tempo di esposizione). A parità di condizioni di luce non avremo una sola esposizione corretta ma possiamo scegliere tra diverse possibilità. Per i tempi viene usata una scala dove il termine successivo è il doppio o la metà di quello di partenza (esempio 1 sec., 1/2 sec., 1/4 sec., 1/8 sec., 1/16 sec. etc…). Per i diaframmi viene usata una scala che ha una progressione pari alla radice quadrata di 2 ( f/1,4, f/2, f/2,8, f/4, f/5,6, f/8, f/11, f/16, f/22, f/32 etc…).

schema di funzionamento della coppia diaframma-otturatore (tipo centrale): il diaframma fissa la quantità di luce per tutto il tempo; nel caso 1 l’otturatore è tutto chiuso, nel caso 2 è parzialmente aperto, nel caso 3 è tutto aperto. Il tempo di apertura dell’otturatore determina la corretta esposizione

Modificando uno dei due parametri (diaframma, tempo) si dovrà correggere l’altro in modo da compensarne la variazione. Quindi se si vuole dimezzare il tempo occorre aprire di uno stop il diaframma (o raddoppiare la sensibilità se non la consideriamo costante). Se vogliamo chiudere di uno stop il diaframma dovremmo raddoppiare il tempo. Possiamo dire che se la nostra esposizione di partenza è: focale f/5,6 – tempo di esposizione 1/60 sec. Sono esposizioni corrette anche:

f/2-1/500, f/2,8-1/250, f/4-1/125, f/11-1/15, f/22-1/8 etc.. In questo modo possiamo avere un elevato controllo sulla scena acquisita ma dobbiamo ricordare che all’aumentare dell’apertura del diaframma diminuisce la profondità di campo (la zona tra la distanza minima e quella massima con la messa a fuoco corretta). Al diminuire del tempo di esposizione si può incorrere nel fenomeno del mosso.

corretta esposizione: fissata una esposizione si può aumentare il tempo di esposizione ma si deve diminuire la focale. La scelta va fatta pensando anche ai problemi che posso insorgere

Nelle fotocamere di tipo analogico normalmente i tempi dell’otturatore sono selezionati attraverso una ghiera posta nella parte superiore dell’apparecchio, nelle fotocamere digitali la stessa operazione avviene o mediante dei sistemi esterni (ghiera, pulsanti, etc,) o direttamente utilizzando uno schermo di tipo touche-screen. Inoltre le fotocamere permettono di far scegliere l’esposizione al fotografo (esposizione Manuale) o la possono scegliere in maniera autonoma (esposizione Automatica).

Le prime fotocamere, principalmente quelle del tipo a banco ottico, necessitavano di tempi di esposizione di diversi minuti e per questo motivo venivano posizionate su dei treppiedi stabili per evitare di avere nella fotografia degli effetti di mosso. Per ottenere la corretta esposizione il fotografo provvedeva inizialmente a gestire i parametri necessari alla fotografia (scelta dell’inquadratura, messa a fuoco etc.) quando tutto era impostato iniziava l’esposizione levando il tappo posizionato sull’obiettivo e successivamente lo riposizionava per fissare il tempo. Con il miglioramento delle emulsioni si sono accorciati i tempi e si è reso necessario un dispositivo che rendesse lo scatto affidabile e ripetibile. Alla fine dell’ottocento William England progettò e realizzò il primo otturatore sul piano focale che fu inserito sulla fotocamera Goerz Anschutz. Il sistema era formato da una tendina di stoffa che permetteva il passaggio della luce attraverso una fessura. Nei primi anni del novecento venne commercializzato il sistema Compur.

l’otturatore Compur e la fotocamera Goerz Anschutz

Sono stati sviluppati due diversi tipi di otturatori:

  • otturatori centrali: formati da una serie di lamelle secondo una disposizione a raggiera che si aprono solo per il tempo di esposizione con lo stesso meccanismo del diaframma che però rimarrà sempre aperto. Questo tipo è spesso inserito all’interno dell’obiettivo.

otturatore del tipo centrale

  • otturatori a tendina: formati da due superfici metalliche o di stoffa disposte parallelamente al piano focale che possono scorrere in orizzontale o in verticale creando in questo modo una fessura che permette alla luce di raggiungere il piano focale. Quando vengono utilizzati tempi lunghi la prima tendina si apre ad esporre il sensore o la pellicola con la luce che entra dall’obiettivo; raggiunto il fine corsa dopo il tempo impostato si chiude la seconda tendina. Nel caso dei tempi brevi la seconda tendina segue la prima mentre è ancora in movimento creando una fessura, la cui larghezza dipende dal tempo di esposizione, che si sposta sul piano focale per esporre la scena in modo parziale fino a raggiungere la completa esposizione.

esempi di otturatore del tipo a tendina

Gli otturatori centrali sono stati utilizzati nelle vecchie fotocamere mentre le fotocamere moderne utilizzano il sistema a tendina.

Le vecchie fotocamere utilizzavano solo otturatori di tipo meccanico, quelle moderne ne hanno introdotto altri tipi:

L’otturatore meccanico: nella maggior parte delle fotocamere attuali viene utilizzato l’otturatore a tendina che è formato da due sottili tendine a ghigliottina che prima scoprono e successivamente ricoprono l’elemento di acquisizione della fotocamera permettendone la corretta esposizione. Per tempi di esposizione lenti, come detto, la prima tendina si apre e raggiunto il fine corsa fa partire la seconda tendina che chiude l’apertura. Questo tempo viene comunemente definito come “sincro-flash” ovvero il tempo minore che la fotocamera utilizza per una esposizione contemporanea, il nome ha origini evidenti pensando alla sincronizzazione del flash con il tempo di acquisizione della fotocamera. Superando questo valore una parte della scena non sarà raggiunta dalla luce del flash e quindi risulterà sotto esposta. Questo valore dipenderà ovviamente dalle soluzione tecnologiche adottate dal costruttore, un valore mediato sulle proposte del mercato si può approssimare a 1/250 di secondo.

L’otturatore elettronico: questo tipo è sostanzialmente simile a quello meccanico ma utilizza l’attivazione di un circuito elettronico, in pratica una maschera, che permette alla luce di “impressionare” il sensore.

l’otturatore elettronico in pratica è una maschera elettronica (una serie di circuiti di controllo) che viene integrata direttamente sul sensore di acquisizione delle immagini. Nella foto il sensore CMOSIS-CMV12000 che permette di acquisire in modalità global shutter con una altissima capacità

L’otturatore ibrido: sono state commercializzate alcune fotocamere che propongono una soluzione ibrida tra quelle appena descritte. La prima tendina dell’otturatore è di tipo elettronico mentre la seconda è di tipo meccanico, in questo modo si cerca di avere un compromesso delle prestazioni dei due sistemi. L’utilizzo è scelto in modo automatico ma può anche essere attivato dal fotografo, ad esempio le fotocamere Canon lo utilizzano quando viene attiva la modalità Silent Shooting (Scatto Silenzioso). La silenziosità è uno dei primi vantaggi di questo sistema ma presenta anche gli svantaggi del tipo meccanico.

Quando l’otturatore utilizza tempi veloci la seconda tendina comincerà a chiudersi mentre la prima non ha ancora raggiunto il fine corsa; in questo modo il fotogramma non sarà esposto tutto nello stesso istante ma in istanti diversi anche se di pochissimo tempo. In questa modalità definita rolling shutter è possibile la creazione di artefatti. Se si fotografa un soggetto in rapido movimento la registrazione presenterà un immagine molto distorta, come se fosse state acquisita in una serie di fette che poi vengono incollate tra di loro.

quando si fotografa un soggetto in rapido movimento risulta evidente il rolling shutter. Per enfatizzare il difetto la fotografia è stata presa da un filmato acquisito son una fotocamera Canon EOS 6D. Gli artefatti sono molto evidenti

il difetto di presenta anche quando il movimento viene eseguito dal fotografo. La prima foto (estratta dal filmato) è fatta ruotando lentamente la fotocamera da sinistra a destra, la seconda ruotando nello stesso verso ma velocemente. Il risultato e come se l’immagine fosse fatta a fette dall’alto verso il basso

Inoltre il rolling shutter presenta un altro problema: quando si fotografa con la luce artificiale, specialmente al neon, si presentano delle zone orizzontali alternate più chiare e più scure sull’immagine acquisita. Il difetto è creato proprio dall’illuminazione poiché non è costante ma variabile. L’occhio non riesce a percepirlo ma il sensore per quanto detto rende il fenomeno visibile nella scena.

Utilizzando tempi lenti immagine è registrata per intero e quindi sono assenti gli artefatti, ma questo tipo, definito global shutter è più complesso e difficile da realizzare ed inoltre richiede la costruzione di circuiti più complessi per ogni singolo pixel del sensore. Purtroppo in questo modo si riduce l’area efficace del dispositivo con la conseguenza che le foto sono leggermente più rumorose e perdono anche in gamma dinamica.

Analizziamo i vantaggi dell’otturatore elettronico rispetto a quello meccanico:

  • risulta più robusto ed affidabile non avendo parti in movimento

  • è completamente silenzioso ed in questo modo permette di fare foto anche in situazioni dove il rumore dello scatto diventa un problema (fotografare in un teatro, fotografare animali nel loro ambiente naturale etc.)

  • il fenomeno del mosso e dovuto a varie cause tra cui i movimenti dovuti all’otturatore, altre cause possono essere le vibrazioni legate ai tempi usati o quelle legate al movimento dello specchio, avremo quindi un miglioramento delle prestazioni

  • i tempi di scatto sono più veloci di quelli che si possono raggiungere con il tipo meccanico (1/32000 di secondo rispetto a 1/8000 di secondo)

  • aumenta la durata della batteria non dovendo azionare dei mini motori

  • nelle fotocamere mirrorless migliora le prestazioni del sistema di autofocus poiché questa parte, integrata nel sensore di acquisizione, viene costantemente esposta alla scena

Analizziamo anche gli svantaggi:

  • il fenomeno del rolling shutter è presente in tutti e due i tipi ma quello dovuto agli otturatori meccanici è molto più veloce dell’altro rendendo in pratica gli artefatti così ridotti da risultare praticamente invisibili

  • i costi di produzione sono, a parità di prestazioni, mediamente più elevati anche se i miglioramenti tecnologici stanno riducendo le differenze

  • i tempi rapidissimi degli otturatori elettronici sono spesso “virtuali” poiché i risultati sono non adeguati o presentano vari problemi. Se impostiamo il tempo di scatto al valore di 1/4000 di sec. un valore tipico per l’acquisizione della fotografia sarà di 1/10 di sec. Infatti al tempo di esposizione va aggiunto il tempo di readout cioè il tempo necessario ad acquisire i valori della luce catturati dal sensore. In pratica i pixel della parte alta del sensore acquisiranno la luce per 1/4000 di sec. mentre i pixel della zona inferiore acquisiranno sempre per 1/4000 di sec. ma con 1/10 di sec. di ritardo generando in questo modo gli artefatti del rolling shutter.

Le fotocamere reflex e mirrorless sono quasi tutte provviste di otturatore elettronico ma viene usato solo quando si imposta la modalità live view (vista dal vivo) o quando vengono effettuate le riprese video. Per acquisire le fotografie viene normalmente usato quello meccanico.

Poche reflex e mirrorless che offrono l’utilizzo dell’otturatore elettronico anche per le foto, ad esempio: la Sony A7s, le Nikon della serie 1, la Panasonic GH4 e poche altre hanno sensori CMOS con rolling shutter.

Va precisato che tutte le fotocamere e cineprese dotate di otturatore elettronico, anche quelle professionali hanno caratteristiche e costi molto elevati, ad esempio la cinepresa Sony F55 utilizza un sensore di tipo global shutter ma costa intorno ai 30000 euro. I sistemi che troviamo attualmente in commercio presentano dei notevoli limiti tecnologici ma i miglioramenti in questo settore sono evidenti e costanti.

Possiamo sintetizzare che l’otturatore elettronico è preferibile nel caso di: fotografie macro, ritratti, in luoghi silenziosi o soggetti statici. È invece sconsigliato per fotografie con luce al neon, sportive, ad animali e per soggetti in rapido movimento.

 

FRANCESCO

questo articolo è stato pubblicato sulla rivista FOTOGRAFARE 7 (Luglio) del 2016 nella rubrica di ALTA FOTOGRAFIA.

P.S. Visto il tempo trascorso dalla pubblicazione va precisato che l’impianto tecnico dell’articolo è sempre valido ma risulteranno poco attendibili le eventuali ricerche di mercato o le scansioni temporali dei prodotti fotografici citati nel medesimo.

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