Come funziona una fotocamera

Dalla redazione di WhiteWall

Usiamo le foto per catturare ricordi e momenti speciali. Soprattutto nell'era delle fotocamere digitali, questo è più facile che mai. Premiamo il pulsante di scatto, guardiamo l'immagine sul display e il ricordo è 'in scatola'. Ma cosa succede realmente nella fotocamera quando premiamo il pulsante di scatto? Come fa la luce a diventare un'immagine? E quali caratteristiche svolgono un ruolo centrale nella fotocamera? Diamo uno sguardo all'interno della fotocamera insieme a lei.

Come la luce diventa un'immagine

Mentre le fotocamere analogiche espongono una pellicola inserita, le fotocamere digitali lavorano con complessi sensori di immagine. I sensori di immagine sono costituiti da milioni di piccoli pixel, a ciascuno dei quali è assegnato un fotodiodo sensibile alla luce. I fotodiodi convertono la luce in carica elettrica. Più luce cade sul fotodiodo, più forte è il segnale elettrico e viceversa. Poiché per una foto sono necessarie non solo informazioni sulla luminosità, ma anche sul colore, il sensore è abbinato a un filtro colore composto dai colori primari rosso, verde e blu. Ad ogni fotodiodo viene assegnato esattamente un colore. Ciò significa che ci sono pixel o fotodiodi che registrano solo la luce verde o rossa, ad esempio. La maggior parte dei sensori utilizza la cosiddetta matrice di Bayer per disporre i colori: La matrice di Bayer è divisa in blocchi di due pixel verdi, uno rosso e uno blu ciascuno. I colori registrati nei blocchi vengono successivamente sommati nel processo di demosaicizzazione, per generare esattamente i colori richiesti per l'immagine registrata. La distribuzione dei colori della matrice di Bayer del 50 percento di verde e del 25 percento di blu e rosso deriva dalla particolare sensibilità dell'occhio umano ai toni verdi. Il bilanciamento del bianco viene utilizzato dal processore per compensare eventuali tonalità verdi che possono verificarsi durante l'elaborazione dell'immagine.

L'autofocus

La fotocamera e l'obiettivo devono lavorare insieme perfettamente per produrre un'immagine nitida di un soggetto. Nelle fotocamere con sistema mirrorless, la nitidezza è determinata dalla misurazione del contrasto, mentre nelle fotocamere reflex da un rilevatore di fase. Le fotocamere con il cosiddetto autofocus ibrido possono fare entrambe le cose.

Rilevamento di fase

Il rilevamento di fase funziona in modo simile agli indicatori di immagine sezionale delle fotocamere reflex analogiche. Questi mostravano una sorta di immagine sfalsata nel mirino, che si fondeva senza soluzione di continuità solo al momento della messa a fuoco. In questo modo, la fotocamera poteva trarre conclusioni sulla distanza dal soggetto e trovare il punto focale richiesto molto rapidamente. Anche il rilevamento di fase nelle fotocamere reflex digitali funziona secondo questo principio.

In una DSLR, la luce che entra attraverso l'obiettivo colpisce prima lo specchio primario parzialmente trasparente, da dove la maggior parte viene diretta nel mirino ottico. La luce rimanente viene deviata attraverso un piccolo sub-specchio su un sensore separato per il rilevamento della fase. Le microlenti sul sensore generano una doppia immagine dalla luce. La fotocamera analizza poi se e in che misura queste immagini sono spostate l'una rispetto all'altra. In base a queste informazioni, riconosce se l'oggetto si trova davanti o dietro il piano focale e trasmette questa informazione al motore di messa a fuoco automatica nell'obiettivo, in modo che a sua volta porti le lenti nella posizione corretta in modo rapido e preciso. Se le doppie immagini nel rilevamento di fase sono esattamente una sopra l'altra, come nella visualizzazione dell'immagine in sezione, il soggetto è a fuoco. Il rilevamento di fase funziona molto rapidamente, ma è anche soggetto a errori se la fotocamera e l'obiettivo non lavorano insieme in modo ottimale. In questo caso, la messa a fuoco può essere sbagliata. Se vuole andare sul sicuro, dovrebbe utilizzare gli obiettivi originali del produttore della fotocamera. Quando aggiorna il firmware della fotocamera, che spesso risolve anche i problemi con l'autofocus, le correzioni sono adattate agli obiettivi originali.

Misurazione del contrasto

Poiché le fotocamere mirrorless (DSLM) non dispongono dell'ampio specchio parzialmente trasparente delle DSLR, le DSLM utilizzano la misurazione del contrasto per determinare la nitidezza. Il principio è semplice: più l'immagine è nitida, maggiore è il contrasto. Per trovare la nitidezza ottimale, la fotocamera mette a fuoco avanti e indietro finché non decide il contrasto più alto. Questa operazione può richiedere un po' di tempo, soprattutto in condizioni di scarsa luminosità ambientale, ma la misurazione del contrasto è considerata particolarmente accurata in quanto viene effettuata direttamente dal sensore della fotocamera e la luce non deve essere indirizzata a un modulo separato tramite specchi, come avviene con il rilevamento di fase sulle reflex digitali.

Autofocus ibrido

Per trovare la messa a fuoco in modo rapido e allo stesso tempo molto preciso, molti produttori si affidano al cosiddetto "autofocus ibrido". Questa determina inizialmente la nitidezza approssimativa ad alta velocità utilizzando il rilevamento di fase. Poi subentra la misurazione del contrasto e mette a punto la messa a fuoco. L'autofocus ibrido di una fotocamera mirrorless non dispone di un modulo di rilevamento di fase separato, ma funziona con microlenti posizionate sui singoli pixel del sensore di immagine.

Misurazione dell'esposizione

Le è mai capitato che una foto non venisse fuori perché sembra sempre troppo luminosa o troppo scura? Allora è utile familiarizzare con il funzionamento della misurazione dell'esposizione della sua fotocamera. La misurazione dell'esposizione determina se la luce nell'intera immagine o solo in alcune aree dell'immagine viene inclusa nella misurazione. La scelta del giusto metodo di misurazione è quindi fondamentale per ottenere una foto di successo. Le fotocamere reflex e le mirrorless ne offrono almeno tre.

Matrice/multi-campo

La misurazione a matrice o multi-segmento è impostata come standard sulla maggior parte delle fotocamere. Con la misurazione a matrice, la sezione dell'immagine viene suddivisa in piccole aree e la luminosità viene analizzata in ciascuna di queste aree. La misura in cui i singoli risultati vengono inclusi nell'esposizione dipende dalla struttura del soggetto analizzato e dalla posizione del punto di messa a fuoco automatica.

Accentuato al centro

Questo metodo misura anche la luminosità sull'intera sezione dell'immagine. Nell'esposizione stessa, le aree centrali sono quelle più pesate. Con alcune fotocamere, la dimensione dell'area centrale può essere regolata.

Spot

Con la misurazione spot, viene misurata solo la luminosità di un'area relativamente piccola. Questo 'spot' si trova solitamente al centro dell'immagine o coincide con il punto di messa a fuoco automatica attivo. Questo assicura che la fotocamera regoli l'esposizione in modo ottimale per il soggetto desiderato, indipendentemente dalle condizioni di luce ambientale.

Informazioni dettagliate sull'esposizione ideale si trovano nel capitolo "3.4 Misurazione e impostazione dell'esposizione corretta".

La chiusura

L'otturatore di una fotocamera determina il tempo di esposizione del sensore di immagine. I tempi di esposizione molto brevi vengono utilizzati per i soggetti in movimento, ad esempio, dove il movimento deve essere praticamente 'congelato'. Per le riprese notturne, invece, è necessario un tempo di esposizione lungo. Esistono diversi approcci per controllare il tempo di esposizione.

L'otturatore sul piano focale

L'otturatore meccanico sul piano focale risale ai tempi delle fotocamere reflex analogiche e viene utilizzato ancora oggi nelle moderne fotocamere a sistema. Funziona con una prima e una seconda tendina dell'otturatore costituite da dischi metallici stretti e leggeri. Quando si preme il pulsante di scatto, la prima tendina dell'otturatore si muove dall'alto verso il basso e rilascia il sensore per l'esposizione. La seconda tendina dell'otturatore termina l'esposizione facendo scorrere le sue lamelle dall'alto verso il basso fino a coprire di nuovo completamente il sensore. L'intervallo in cui la seconda tendina segue la prima è determinato dalla velocità dell'otturatore impostata sulla fotocamera. Con gli attuali otturatori meccanici, sono possibili tempi di esposizione brevi, fino a 1/8.000 di secondo.

A velocità dell'otturatore molto elevate, la seconda tendina dell'otturatore si sposta verso il basso prima ancora che la prima abbia raggiunto il fondo. Si può immaginare che non sia esposto l'intero sensore, ma solo una stretta fessura che si muove dall'alto verso il basso. Poiché una tale fenditura può creare problemi con la fotografia con il flash, le specifiche tecniche di tutte le fotocamere includono il cosiddetto tempo di sincronizzazione del flash. Spesso è specificato come 1/250 di secondo. La velocità di sincronizzazione del flash è il tempo più breve in cui l'otturatore è ancora completamente aperto. A 1/320 di secondo, la seconda tendina dell'otturatore scorrerebbe già dall'alto verso il basso prima che la prima tendina dell'otturatore abbia raggiunto l'estremità inferiore del sensore, il che comporterebbe l'oscuramento di parte dell'area superiore dell'immagine nonostante il flash.

L'otturatore elettronico

L'otturatore elettronico ha un vantaggio significativo. A differenza della versione meccanica, non ha parti in movimento e quindi funziona in modo silenzioso e senza vibrazioni, che possono portare a sfocature nell'immagine con tempi di esposizione lunghi. In termini semplici, l'otturatore elettronico nei sensori CMOS utilizzati in quasi tutte le fotocamere digitali consumer oggi funziona come segue: Finché la luce cade sul sensore, viene continuamente convertita in carica elettrica sui fotodiodi. Per avviare la registrazione, la carica di ciascun fotodiodo viene brevemente azzerata. Questo 'riavvio' corrisponde alla prima tendina dell'otturatore. Al termine del tempo di esposizione, il sensore viene letto riga per riga dall'alto verso il basso con l'otturatore elettronico convenzionale. Questo momento può essere confrontato con la seconda tendina dell'otturatore.

L'esposizione elettronica è molto veloce e quindi consente tempi di posa molto rapidi che non sarebbero possibili con un otturatore meccanico. La Canon EOS R3, ad esempio, consente velocità dell'otturatore fino a 1/64.000 di secondo. Tuttavia, uno svantaggio dell'otturatore elettronico convenzionale si verifica quando il soggetto o il fotografo muove la fotocamera. Quando il sensore viene letto riga per riga, può accadere che il soggetto si trovi già in una posizione diversa nelle righe lette più in basso rispetto all'inizio della lettura nelle prime righe. Questo può portare a distorsioni, note anche come 'rolling shutter'. Questo effetto si riconosce, ad esempio, dal fatto che le pale del rotore di un ventilatore appaiono leggermente distorte nell'immagine.

Una combinazione di entrambi i metodi

Con le moderne fotocamere digitali, è possibile combinare entrambi i metodi di scatto. Il primo otturatore viene attivato elettronicamente. Il vantaggio: non ci sono rumori o vibrazioni. Per il secondo otturatore, le lamelle dell'otturatore meccanico si muovono verso il basso.

Otturatore globale

Con la Sony Alpha 9 III, il produttore giapponese ha introdotto la prima fotocamera digitale consumer con il cosiddetto otturatore globale. Si tratta di un otturatore elettronico in cui i fotodiodi del sensore non vengono letti riga per riga, ma tutti contemporaneamente. L'otturatore globale evita così l'effetto "rolling shutter" che si verifica con gli otturatori elettronici convenzionali. Il sensore dell'otturatore globale di Sony nel formato 35 mm consente tempi di esposizione molto rapidi, fino a 1/80.000 di secondo, ed è quindi particolarmente indicato per scatti sportivi e d'azione privi di distorsione con tempi di posa rapidi. Inoltre, è possibile anche fotografare con il flash a 1/80.000 di secondo. In precedenza, questo era possibile solo con fotocamere analogiche o digitali di medio formato estremamente costose, con un otturatore elettronico incorporato nell'obiettivo.

Lo stabilizzatore d'immagine (IBIS)

Il tremolio della fotocamera si verifica principalmente nelle foto quando la luce ambientale è molto bassa - in altre parole, quando l'otturatore della fotocamera deve rimanere aperto per un tempo relativamente lungo per ottenere un'immagine sufficientemente luminosa. Il modo più efficace per evitare il tremolio della fotocamera è utilizzare un treppiede per stabilizzare la fotocamera durante l'esposizione. Tuttavia, pochi fotografi vogliono portare sempre con sé questo strumento ingombrante. È qui che entra in gioco la stabilizzazione dell'immagine.

Nelle fotocamere SLR, la stabilizzazione dell'immagine viene utilizzata esclusivamente nell'obiettivo. I singoli obiettivi vengono spostati verticalmente e orizzontalmente per contrastare le vibrazioni della fotocamera durante l'esposizione. Con molte moderne fotocamere mirrorless, i produttori fanno un ulteriore passo avanti e dotano anche i sensori della fotocamera di stabilizzazione dell'immagine. Sony, Panasonic e Olympus sono stati i primi produttori a offrire il cosiddetto sistema IBIS ("In Body Camera Stabilisation"). Altri produttori hanno poi seguito l'esempio.

Il principio è sempre lo stesso: Nella stabilizzazione basata sul sensore, il sensore della fotocamera è tenuto in posizione da magneti elettrici. Se vengono misurati vibrazioni o movimenti, la fotocamera li compensa spostando il sensore di conseguenza. I moderni sistemi IBIS stabilizzano l'immagine su cinque assi. Compensano le oscillazioni verticali e orizzontali, l'inclinazione, la panoramica e la rotazione intorno all'asse ottico. Alcuni fornitori offrono anche un autofocus ibrido. Le unità di stabilizzazione dell'immagine nel sensore della fotocamera e nell'obiettivo lavorano insieme e consentono scatti a mano libera con tempi di esposizione relativamente lunghi. Con il sistema OM OM-1 Mark II, ad esempio, è possibile fotografare a mano libera con tempi di esposizione fino a 8,5 f-stop più lunghi di quanto sarebbe possibile senza stabilizzazione.

Elaborazione delle immagini

Dopo che la fotocamera viene attivata, la luce sul sensore della fotocamera viene convertita in segnali elettrici che vengono inoltrati al processore di immagini della fotocamera. L'immagine viene elaborata lì. A seconda del formato di immagine impostato nella fotocamera, ci sono diverse opzioni. Quando si scatta in modalità RAW, la fotocamera salva tutti i dati disponibili in un file e non li elabora internamente. Per questo motivo si parla anche di formato di dati grezzi. Le immagini RAW possono poi essere modificate come richiesto utilizzando uno speciale software di conversione RAW.

Tuttavia, se desidera modificare le immagini direttamente nella fotocamera per condividerle con altri come JPEG finiti e di poco spazio, deve prima effettuare alcune impostazioni sulla fotocamera per lo sviluppo. Importante: quando scatta foto in formato JPEG, la post-elaborazione avviene prima che le immagini vengano scritte sulla scheda di memoria e non può essere annullata. Se non vuole lasciare al sistema automatico l'elaborazione interna della fotocamera basata sul software, può intervenire manualmente. Il bilanciamento del bianco, la soppressione del rumore o le correzioni dell'obiettivo sono solitamente accessibili tramite una voce separata del menu. Di solito esistono preselezioni separate per le funzioni di correzione come lo stile del colore, il contrasto, la nitidezza o la saturazione, che possono essere modificate individualmente, se necessario. Inoltre, molti produttori offrono anche filtri per effetti artistici. Con Fujifilm, è possibile utilizzare anche la funzione di simulazione pellicola per simulare l'aspetto delle vecchie pellicole analogiche.

Conclusione

Nell'affascinante mondo della fotografia, la fotocamera è lo strumento che cattura i nostri ricordi e conserva i momenti per l'eternità. La tecnologia dietro la fotocamera è complessa, ma ci permette di catturare le nostre visioni creative e di condividerle con gli altri. Comprendendo l'interazione tra luce, sensore e meccanica, possiamo sviluppare le nostre abilità fotografiche e creare immagini ancora più impressionanti. Siamo qui per aiutarla e consigliarla a perfezionare le sue immagini.