Цифровой фотоаппарат

Характеристики матриц

Светочувствительность, отношение сигнал-шум и физический размер пикселя однозначно взаимосвязаны (для матриц, созданных по одной  и той же технологии). Чем больше физический размер пикселя, тем больше получаемое соотношение сигнал-шум  при заданной чувствительности, или тем выше чувствительность при заданном соотношении сигнал-шум. Физический размер матрицы и её разрешение однозначно определяют размер пикселя. Размер пикселя напрямую определяет такую важную характеристику для качества изображения, как динамический диапазон (D). Производители цифровых фотокамер, особенно любительских, о ней умалчивают. Но надо понимать, что при размерах используемых в них матриц, хороших значений эта характеристика иметь не может. 
 
 

Физический размер матрицы

Сравнение размеров фотосенсоров цифровых фотокамер и 35-мм плёнки.

Физические размеры  фотосенсоров определяются размером отдельных  пикселей матрицы, которые в современных  фотосенсорах имеют величину 0,005-0,006 мм. Чем крупнее пиксель, тем больше его площадь и количество собираемого им света, поэтому тем выше его светочувствительность и лучше отношение сигнал/шум (в обычной фотографии шумы называются «вуаль»). Необходимое разрешение деталей фотографии определяет общее количество пикселей, которое в современных фотоматрицах достигает десятков миллионов пикселей (Мегапикселей), и тем задаёт физические размеры фотоматрицы.

• Законы оптики определяют зависимость ГРИП от физического размера матрицы. Если сфотографировать тремя фотоаппаратами с разным физическим размером матрицы одну и ту же сцену с одним и тем же углом зрения и одним и тем же значением диафрагмы на объективах, и изучить результат (файл на компьютере, распечатку с принтера) в одинаковых условиях, то ГРИП на снимке, сделанном фотоаппаратом с наименьшей матрицей, будет наибольшей (больше предметов в кадре будет показано резко), а фотоаппарат с наибольшей матрицей покажет наименьшую ГРИП (предметы не в зоне резкости будут сильнее размыты).
• Размеры фотосенсоров чаще всего обозначают как "тип" в виде дробных частей дюйма (например, 1/1.8" или 2/3"), что фактически больше реального физического размера диагонали сенсора. Эти обозначения происходят от стандартных обозначений размеров трубок телекамер в 1950-х годах. Они выражают не размер диагонали самой матрицы, а внешний размер колбы передающей трубки. Инженеры быстро установили, что по различным причинам диагональ полезной площади изображения составляет около двух третей диаметра трубки. Это определение стало устоявшимся (хотя и должно было быть давно отброшено). Не существует чёткой математической взаимосвязи между "типом" сенсора, выраженном в дюймах, и его фактической диагональю. Однако, в грубом приближении, можно считать, что диагональ составляет две трети типоразмера.

Отношение сторон кадра

• Формат  кадра 4:3 в основном применяется в любительских цифровых фотоаппаратах. Некоторые фирмы, например, Canon, выпускают в этих фотоаппаратах настройку соотношения сторон в диапазонах 4:3 и 16:9.^[4]
• Формат кадра 3:2 применяется в зеркальных цифровых фотоаппаратах, кроме выполненных по стандарту 4:3
• Выпускается незначительное число моделей с кадром 16:9
• В цифровых зеркальных фотоаппаратах Olympus используется матрица с соотношением сторон 4:3 (стандарт 4:3).

Пропорции пиксела

Выпускаются матрицы  с тремя различными пропорциями  пиксела:

• Для видеоаппаратуры выпускаются сенсоры с пропорцией пиксела 4:3 (PAL)
• или 3:4 (NTSC)
• Фотографическое, рентгенографическое и астрономическое оборудование, а также развивающееся сейчас HDTV видеооборудование обычно имеет квадратный пиксел.

Типы матриц по применяемой технологии

Долгое время  ПЗС-матрицы были практически единственным массовым видом фотосенсоров. Реализация технологии Active Pixel Sensors около 1993 года и дальнейшее развитие технологий привели в итоге к тому, что к 2008 году КМОП-матрицы стали практически альтернативой ПЗС.^[5]

ПЗС-матрица

Состоит из светочувствительных фотодиодов, выполнена на основе кремния, использует технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.

КМОП-матрица

Выполнена на основе КМОП-технологии. Каждый пиксел снабжён усилителем считывания, а выборка сигнала с конкретного пискела происходит, как в микросхемах памяти, произвольно.

SIMD WDR матрица,  также выполненная на основе  КМОП-технологии, имеет в обрамлении каждого пиксела ещё и автоматическую систему настройки времени его экспонирования, что позволяет радикально увеличить фотографическую широту устройства.^[6]

Live-MOS-матрица

Выполнена на основе МОП технологии, однако содержит меньшее  число соединений для одного пиксела  и питается меньшим напряжением. За счёт этого и за счёт упрощённой передачи регистров и управляющих  сигналов имеется возможность получать «живое» изображение при отсутствии традиционного для такого режима работы перегрева и повышения уровня шумов.

Матрицы с пикселами различного размера

В фотоаппаратах  фирмы Fujifilm применяются матрицы, получившие название «Super CCD», в которых присутствуют зелёные пикселы двух различных размеров. Большие — для малых уровней освещённости. И малые, совпадающие по размеру с синими и красными. Это позволяет увеличить фотографическую широту матрицы на величину до 4-х ступеней.^[7]

Методы получения цветного изображения

Сам по себе пиксель  фотоматрицы является «чёрно-белым». Для того, чтобы матрица давала цветное изображение, применяются специальные технические приёмы.

Трёхматричные системы

Пример работы дихроической призмы

Поступающий в  камеру свет, попадая на пару дихроидных призм, делится на три основных цвета: красный, зелёный и синий. Каждый из этих пучков направляется на отдельную матрицу (чаще всего используется CCD матрицы, поэтому в наименовании соответствующей аппаратуры употребляется обозначение 3CCD).

Трёхматричные системы применяются в видеокамерах среднего и высокого класса.

Достоинства трёх матриц по сравнению с одноматричными

• лучше передача цветовых переходов, полное отсутствие цветного муара;
• выше разрешение. Отсутствует необходимый для устранения муара low-pass фильтр;
• выше светочувствительность и меньший уровень шумов;
• возможность введения цветокоррекции постановкой дополнительных фильтров перед отдельными матрицами, а не перед съёмочным объективом, позволяет добиться существенно лучшей цветопередачи при нестандартных источниках света;

Недостатки трёх матриц по сравнению с одноматричными

• принципиально бо́льшие габаритные размеры;
• трёхматричная система не может использоваться с объективами с малым рабочим отрезком;
• в трёхматричной схеме есть проблема сведе́ния цветов. Такие системы требуют точной юстировки, причём чем большего размера матрицы применяются и чем больше их физическое разрешение, тем сложнее добиться необходимого класса точности;

Матрицы с мозаичными фильтрами

Во всех таких  матрицах пиксели расположены в  одной плоскости, и каждый пиксель  накрыт светофильтром некоего цвета. Недостающая цветовая информация восстанавливается путём интерполяции (см. Фильтр Байера#Дебайеризация).

Существует несколько  способов расположения светофильтров. Эти способы различаются чувствительностью  и цветопередачей, при этом чем  выше светочувствительность, тем хуже цветопередача.

• RGGB — Фильтр Байера, исторически самый ранний;
• RGBW. Такие сенсоры имеют более высокую чувствительность и фотографическую широту (типично выигрыш чувствительности в 1,5—2 раза и 1 ступень по фотографической широте). Частный случай RGBW-матрицы — CFAK-матрица компании Kodak;
• RGEB (красный — зелёный — изумрудный — синий);
• CGMY (голубой — зелёный — лиловый — жёлтый);

Матрицы с полноцветными пикселами

Существуют две  технологии, позволяющие получать с  каждого пикселя все три цветовые координаты. Первая применяется в  серийно выпускаемых камерах  фирмы Sigma, вторая на середину 2008 года существует только в виде прототипа.

Многослойные матрицы (Foveon X3)

Фотодетекторы матрицы X3 компании Foveon расположены в три слоя — синий, зелёный, красный. Название сенсора «Х3» означает его «трёхслойность» и «трёхмерность».

Матрицы X3 применяются  в цифровых фотоаппаратах Sigma.

  Полноцветная RGB-матрица Nikon

В полноцветных матрицах Nikon (Патент Nikon от 9 августа 2007) лучи RGB предметных точек в каждом пикселе проходят в сжатом виде через линзу и при помощи цветоделительных зеркал в порядке «синий», «зелёный», «красный» попадают на подпиксельные детекторы^[8].

Пока аппаратуры с этим типом матрицы не производится, создан только прототип.

3.2 Объектив

Объектив цифровой камеры не претерпел кардинальных изменений по сравнению с объективами обычных фотокамер. Из-за меньших размеров сенсора, объективы цифровых камер (за исключением зеркальных камер, использующих те же объективы) имеют меньшие геометрические размеры.

Благодаря уменьшению относительно 35-мм плёнки размера матрицы, в любительских камерах стало  возможным использование оптических схем, ранее присущих только дорогим  аппаратам.

3.3 Затвор

Цифровые камеры оснащены электронным эквивалентом затвора, который встроен в матрицу  и выполняет работу, аналогичную  механическому. В более дорогих  камерах вмонтированы два затвора, и механический служит для предотвращения попадания на сенсор света после окончания времени выдержки, что позволяет избежать появления артефактов ореола, частично блюминга и смазывания.

В некоторых  цифровых фотоаппаратах при нажатии  клавиши затвора наполовину происходит срабатывание систем автоматики. Автофокус и система определения экспозиции фиксируют параметры съёмки и ждут полного нажатия. При полном нажатии клавиши спусковой кнопки:

• в незеркальных цифровых аппаратах:
• механический затвор (при наличии) закрывается;
• происходит сброс заряда в ячейках матрицы
• механический затвор открывается на время экспонирования.
• механический затвор закрывается.
• происходит считывание кадра из матрицы
• механический затвор открывается
• матрица переходит в режим Live View.
• в зеркальном цифровом аппарате (без или при выключенном режиме Live View):
• поднимается зеркало, срабатывает «прыгающая» диафрагма.
• включается ранее выключенная матрица
• открывается на время экспонирования механический затвор
• закрывается мех затвор
• опускается зеркало, открывается диафрагма
• происходит считывание и обработка кадра из матрицы.