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.