Limite di sensibilità all'infrarosso per vari sensori di telecamera

Qual è la fotocamera migliore per gli infrarossi? Il modello X è più adatto all'IR del modello Y? In molti anni di esperienza, la risposta è sempre stata: "Non fa molta differenza". Questa sensazione istintiva è più che sufficiente per la fotografia IR creativa e l'articolo potrebbe finire qui. Ma per alcune applicazioni, soprattutto per Misure di elettroluminescenza dei moduli fotovoltaici, la sensibilità effettiva al limite dei sensori delle fotocamere potrebbe essere significativa. Questa ipotesi, sostenuta da tempo, può ora essere supportata da alcune solide misurazioni di vari sensori CMOS. L'azienda SurfLabX di Taufkirchen ha misurato in laboratorio diverse telecamere a spettro completo modificate da IRreCams e possiamo dare un'occhiata più da vicino ai risultati.

Un breve riassunto

Riassumiamo brevemente per chi ha fretta: Tutte le fotocamere a spettro completo testate erano in grado di percepire la luce infrarossa nell'intervallo compreso tra 1.000 e 1.200 nm. Non faceva alcuna differenza se era installato un sensore full-frame, APS-C o MicroFourThirds, né il produttore dei sensori (Canon, Panasonic, Sony) sembrava avere alcuna influenza significativa sul risultato. Allo stesso modo, un moderno sensore Backside Iluminated (BSI) non mostra alcun vantaggio fondamentale rispetto ai normali sensori Frontside Iluminated.
Al di sopra dei 1.200 nm, non è stato possibile misurare praticamente alcuna sensibilità con le telecamere; con ogni probabilità, in questo caso è stato raggiunto un limite tecnico del materiale semiconduttore (silicio). In conclusione, è possibile ottenere risultati altrettanto buoni nel vicino infrarosso con tutte le telecamere e i sensori degli ultimi anni.

I fattori decisivi per la qualità dell'immagine sono piuttosto il comportamento del rumore e la gamma dinamica della fotocamera (queste cifre chiave sono disponibili nella gamma visibile attraverso vari test). Elementi come l'ergonomia, la velocità di messa a fuoco automatica e gli obiettivi disponibili dovrebbero essere criteri molto più decisivi quando si tratta di stabilire quale sia la migliore fotocamera per l'infrarosso. Perché questa domanda è, come nel campo del visibile, altamente soggettiva.

Impostazione sperimentale e analisi qualitativa

E ora la versione lunga, ma prima di tutto diamo un'occhiata a come sono state testate le fotocamere. È stato utilizzato un monocromatore per dirigere un fascio di luce monocromatica direttamente sul sensore delle fotocamere. Non è stato montato alcun obiettivo sulle fotocamere, in modo che la radiazione potesse colpire il sensore della fotocamera senza ostacoli. Le immagini sono state poi acquisite a ISO 200 con un tempo di esposizione di 1/30 s ciascuna in formato RAW per la successiva elaborazione. Ecco un collage delle singole immagini senza ulteriori elaborazioni.

Il lato sinistro mostra una Canon EOS RP con solo il primo filtro di blocco rimosso (la fotocamera è approssimativamente equivalente a una conversione astro), mentre il lato destro mostra una Canon EOS RP a spettro completo. Si può notare a occhio nudo che la radiazione infrarossa sopra i 700 nm può generare un segnale sul sensore solo dopo una conversione a spettro completo. Tuttavia, nei campi più scuri è possibile riconoscere ben poco senza elaborazione. Per migliorare la visibilità dell'occhio, la luminosità di tutte le singole immagini è stata uniformata.

Questa immagine mostra la versione non elaborata dell'RP a spettro completo sulla sinistra e le immagini schiarite dello stesso file sulla destra. Come era prevedibile, nelle aree scure dei file RAW sono presenti molte più informazioni di quanto non facciano pensare le immagini non elaborate. Allo stesso tempo, però, il rumore viene schiarito e aumentato con l'elaborazione. Nelle ultime 3 immagini si può notare come il segnale reale sia sempre più annegato dal rumore e minacci di scomparire.

Se ora confrontiamo ancora una volta la Canon EOS RP senza il primo filtro di blocco con la RP a spettro completo, si nota chiaramente che senza la modifica dello spettro completo si sente praticamente solo il rumore. Per la luce infrarossa, una fotocamera di questo tipo, o una fotocamera non modificata, è assolutamente inutile. Di tanto in tanto si possono riconoscere piccoli segnali (ad esempio a 910-940 nm), molto probabilmente dovuti al fatto che il filtro di blocco ancora installato presenta piccole "perdite" nell'IR (piccole fluttuazioni nella curva di trasmissione sono abbastanza normali con i filtri di interferenza).

Prima di esaminare tutti i risultati, ecco un confronto tra una fotocamera APS-C e una fotocamera full-frame:

Entrambe le fotocamere sono state convertite a pieno spettro ed entrambe hanno sensori BSI "moderni". Da un punto di vista puramente qualitativo, tuttavia, non c'è molta differenza tra la Fujifilm X-T3 e la Sony A7R III. Le attuali generazioni di sensori, indipendentemente dalle loro dimensioni, hanno raggiunto negli ultimi anni un livello di prestazioni praticamente equivalente.

I risultati in dettaglio

Il grafico qui sopra riassume tutti i risultati dei test e mostra l'intensità del segnale in funzione della lunghezza d'onda misurata. Più alto è il valore ad una lunghezza d'onda, più sensibile è il sensore. Il Canon EOS RP non modificato e l'RP senza il primo filtro di blocco non mostrano chiaramente alcuna sensibilità per le radiazioni infrarosse superiori a 700 nm; si trovano nella parte inferiore del diagramma. Solo con una conversione a infrarossi la radiazione può penetrare senza ostacoli fino al sensore ed essere rilevata qui. Tutte le fotocamere a spettro completo presentano più o meno le stesse caratteristiche e sono molto simili tra loro. Il Panasonic G6 testato aveva installato un filtro long-pass da 700 nm; in questo caso la curva coincide con le altre fotocamere a spettro completo a partire da circa 750 nm.

Vorrei soffermarmi subito su un'apparente anomalia: La Canon EOS RP a pieno spettro sembra fornire risultati visibilmente peggiori rispetto a tutte le altre fotocamere testate. Dopo alcune ricerche, è emerso che i parametri di test per questa fotocamera sono stati scelti in modo sfavorevole. Per qualche motivo, il rumore di lettura della RP nelle gamme ISO basse (le misurazioni sono state effettuate a ISO 200) è significativamente più alto rispetto alle altre fotocamere (di un fattore 3). A partire da una gamma ISO di 3.200, tuttavia, il rumore dell'RP si avvicina nuovamente a quello delle altre fotocamere ed è quindi al livello degli occhi. Se le misurazioni fossero state effettuate tutte a un ISO più elevato, l'RP non sarebbe quasi certamente in linea con gli altri risultati.

Ora che parliamo di rumore, dobbiamo anche esaminare il comportamento del rumore dei singoli sensori per comprendere meglio le curve del diagramma precedente. Se una fotocamera fosse estremamente rumorosa, alla fine avremmo misurato solo il rumore e non il vero segnale che il sensore ci fornisce. Per questo motivo, quando si effettua una valutazione, è necessario tenere conto anche del comportamento acustico delle telecamere.

Questo grafico mostra il comportamento del fumo (SNR) in funzione della lunghezza d'onda misurata. Un valore più alto significa che la telecamera fornisce un segnale più "pulito" e che c'è meno rumore nell'immagine. Anche in questo caso, tutte le telecamere sono più o meno simili tra loro e mostrano un'immagine simile. A partire da una lunghezza d'onda di 800 nm, i risultati diventano sempre più scarsi e si avvicinano a un limite intorno ai 1.200 nm: in questo caso si osserva solo rumore.

Un confronto tra la Fujifilm X-A3 (sensore con illuminazione frontale) e la X-T3 (sensore con illuminazione posteriore) non mostra differenze significative nel comportamento del segnale o del rumore. Questo tipo di produzione del sensore non sembra quindi avere alcuna influenza significativa sulla sensibilità IR.

Se si osservano entrambi i diagrammi, si può notare che, almeno nell'intervallo interessante per l'elettroluminescenza dei moduli FV (950-1.150 nm), tutte le telecamere sono molto vicine tra loro. È difficile riconoscere una differenza e fare una raccomandazione in una direzione o nell'altra.

Ma proviamo a scegliere un vincitore per una volta. Se osserviamo entrambi i diagrammi, la Sony A7R III si impone sia in termini di comportamento del segnale che di rumore. Se volessimo scegliere una fotocamera "peggiore", probabilmente dovrebbe essere la Canon EOS RP sulla base dei dati disponibili. Vorrei sottolineare ancora una volta che ciò è dovuto solo alla combinazione dei parametri di misurazione in combinazione con l'elaborazione interna del segnale della fotocamera - a valori ISO più elevati, la RP sarebbe quasi certamente alla pari con le altre fotocamere (i valori ISO elevati sono utilizzati per la misurazione dell'elettroluminescenza dei moduli fotovoltaici in particolare).

Ma cosa significa in pratica se guardiamo il "vincitore" e il "perdente" fianco a fianco?

Sia nella versione non elaborata che in quella schiarita della serie di test, le differenze nelle lunghezze d'onda superiori sono riconoscibili, ma in linea di principio entrambe le fotocamere producono risultati che non differiscono più di tanto nella pratica. Alle lunghezze d'onda superiori, entrambe le fotocamere sono rumorose, ma il cono di luce rimane riconoscibile.

I risultati delle altre fotocamere si collocano tutti a metà strada, tendendo ad avvicinarsi ai risultati della Sony. Questa serie di test non include sensori impilati e sarebbe interessante confrontare anche un sensore monocromatico. Forse ci sarà l'opportunità di misurare nuovamente questo aspetto in futuro. Fino ad allora, vorrei tornare alla mia sensazione iniziale: "Non fa molta differenza".

Ancora una volta, vorrei ringraziare la società SurfLabXDesideriamo ringraziare in particolare il sig. Karpen per averci fornito i risultati delle misurazioni e per l'interessante scambio di opinioni sulla tecnologia delle telecamere.