Все о матрице фотоаппарата

Покупатели фототехники обязательно должны знать все о матрице фотоаппарата. Большое значение имеют и разрешение, и уровень светочувствительности этого устройства. Внимание надо уделить и марке, которая производит такие детали.

Матрица фотоаппарата — это примерно то же самое, что сердце или мозг для живого организма, что двигатель для автомобиля или крыша в доме. Если она не работает или работает некачественно, исправность всех остальных частей фотокамеры не имеет никакого значения. К сведению: в ряде источников употребляется еще термин «сенсор» или «датчик». Если не оговаривается, что это за «сенсор» конкретно, то подразумевается как раз матрица.

Она устроена очень сложно, ведь это микросхема, образованная фотодиодами. Интенсивность светового потока определяет интенсивность вырабатываемого электрического сигнала. Собственно, для его выработки матрица и нужна. При ее поломке, как уже ясно, любой фотоаппарат — бесполезный кусок металла, пластика и стекла. Преобразование импульса в цифровой сигнал происходит при помощи специального устройства; оно или встраивается в матрицу, или находится отдельно.

Свет преобразуется в биты по специальному протоколу. На один светодиод приходится один пиксель изображения. Чтобы добиться получения цветной картинки, основной части матрицы «помогают» специальные фильтры. С точки зрения оптики, матрица — точный аналог пленки, использовавшейся в старых фотокамерах. Отличаются только внутренние физические процессы и отсутствуют химические изменения, а работа со светом происходит полностью идентично.

Основополагающим параметром сенсора является так называемая характеристическая кривая, прямо связанная с фотографической широтой. Эта линия проложена между крайними точками правильной экспозиции. При выходе за эти пределы кривая на графике будет изгибаться. На снимках это проявляется существенным падением контрастности. В цифровой фотографии дополнительные ограничения накладывают и свойства аналого-цифровых преобразователей.

При поверхностном даже ознакомлении с рынком фототехники нетрудно заметить, что она оснащается различными видами матриц.

CCD – в русскоязычных источниках обычно ПЗС – подразумевает последовательное считывание. Очевидно в связи с этим серьезное ограничение на скорость фотографирования. Обязательно придется выжидать некоторое время, пока формируется предыдущее фото. Характеристики КМОП (CMOS) в этом отношении лучше, такие матрицы привлекательнее при использовании автофокуса.

Именно КМОП стараются использовать для экспонометрии. Но и самые обычные фотографы стремятся покупать как раз модели на базе CMOS. Помимо лучшего качества снимка, они могут похвастаться относительной дешевизной и меньшими затратами ресурса батареи при фотографировании. Иногда встречаются матрицы из трех слоев, чаще всего каждый из них выполнен по технологии ПЗС. Коммерческое обозначение — 3CCD; оборудование с такой начинкой предназначено для профессиональных съемок.

В аппаратах Panasonic используется методика Live-MOS. От традиционной МОП-технологии этот метод отличается тем, что на один пиксель приходится меньше соединений. Это позволяет уменьшить напряжение. Такое конструктивное решение в сочетании с упрощенной передачей регистров и сигналов управления гарантирует получение «живых» кадров. Одновременно исключается перегрев и повышенный уровень шумов.

Фирма Fujifilm использует особый тип матриц. Их называют Super CCD. Предусмотрено наличие крупных зеленых пикселей для пониженной освещенности. Маленькие зеленые пиксели не отличаются от синих и красных точек.

Но сравнение матриц возможно еще и по виду используемого светофильтра. В трехматричных системах применяются дихроические призмы. Внутри таких призм световой луч будет делиться на 3 главных цвета. Потом зеленый, красный и синий потоки направляются на соответствующие матрицы. Особенности:

• оптимальная передача цветового перехода;
• исчезновение цветных муаров;
• сокращение уровня шумов;
• повышенное разрешение;
• возможность цветовой коррекции до матричной обработки, а не только после нее;
• увеличенные размеры;
• несовместимость с объективами, имеющими небольшой рабочий отрезок;
• трудность сведения цветов, которая достигается только при очень тщательной юстировке.

Другой вариант — массив мозаичных фильтров. Название говорит само за себя: пиксели располагаются в единой плоскости, и каждый под «своим» светофильтром. Если информации о цветах не хватает, на помощь приходят алгоритмы цифровой интерполяции. Увеличение чувствительности к свету достигается ухудшением цветопередачи и наоборот. Раньше всего применялся вариант RGGB.

А также известны схемы:

• RGEB;
• RGBW;
• CGMY.

Есть также технология получения матриц с полноцветными кадровыми точками. Метод, разработанный фирмой Foveon, подразумевает размещение световых детекторов в три слоя. Корпорация Nikon пошла по иному пути. У ее разработки три основных луча обрабатываются при помощи микролинзы и трех фотодиодов, а затем с каждого пикселя поступают на дихроичные зеркала. Уже эти зеркала перенаправляют световой поток на детекторы; несмотря на внутреннюю сложность, привлекательна возможность обойтись без изощренной юстировки.

Основные габариты матриц фотоаппаратов приведены в таблице (на примере популярных моделей).

Не надо путать физический формат матрицы с ее оптическим разрешением. Вполне могут быть как крупные сенсоры с относительно малой четкостью, так и очень качественные малогабаритные датчики света. Но в целом все же прослеживается закономерность: с большой матрицей чаще всего связана и большая чувствительность, и хорошая детализация картинки. Просто потому, что при таком условии реализовать ее проще.

Но надо понимать, что величина матрицы в полной мере влияет на размеры и массу камеры. Ведь именно от этого компонента зависит габарит оптической системы фотоаппарата в целом. Но линейные размеры матриц прямо связаны и с цифровым шумом. Если габариты приемника света увеличивают, растет общее количество полезной оптической информации. Удается повысить яркость изображения и насытить его естественными тонами.

На дешевых камерах обычно используются матрицы размером около 2/3 дюйма. А вот сенсоры габаритом 1 дюйм применяются преимущественно в полнокадровых фотоаппаратах. Однако за последние годы удешевление производства больших световых датчиков несколько изменило эту картину. Важно учитывать, впрочем, еще и роль размера пикселей. Чем они крупнее, тем толще изоляция на разделительных контурах, и тем меньше ток утечки.

Эти параметры обязательно фигурируют и в рекламе, и в описаниях на ценниках. Особенно важно разрешение, когда планируют печатать снимки на бумаге или просматривать их на телевизорах, на больших компьютерных мониторах. А вот для фотографий размером 10х15 см можно обойтись и 3 Мп. А самые продвинутые телевизоры все равно не показывают больше 2 миллионов пикселей. Вот почему реально оценить достоинства снимков высокого разрешения не выйдет, это скорее маркетинговая уловка.

При этом чем больше пикселей заявлено, тем крупнее должна быть матрица. Рассогласование этих параметров неизбежно вызовет зашумление снимков. Кроме того, они будут неизбежно срезаны по ширине.

Эти свойства значимы при съемках на фоне плохой освещенности. Чем чувствительнее матрица, тем четче будут снимки. Манипулируя ISO, влияют на яркость кадра без перенастройки диафрагмы и выдержки. Суть в том, что усиливают электрический ток, а не повышают чувствительность фотоэлементов. Проблема — когда используется крупный зум, будут усиливаться и шумы.

Поднимать величину ISO стоит только в ситуациях, когда:

• задний план недостаточно освещен;
• вспышку применять нельзя;
• приходится снимать с рук.

Принято считать, что:

• ISO на 100-200 единиц достаточно для уличных съемок при приличном освещении;
• 400-800 ISO хватает для комнат с искусственным светом;
• ISO от 800 до 1600 нужен, чтобы фотографировать ночью;
• показатели свыше 1600 потребуются только для фотографирования на концертах и подобных мероприятиях.

Рейтинг изготовителей фотографических матриц весьма лаконичен. Список фирм, которые этим занимаются, в целом невелик. Даже такая компания, как Nikon, хоть и разрабатывает сама матрицы, фактическое производство отдает другим организациям. Часто заказы передаются Sony. А также руководство компании утверждает, что делает заказы и у Fujitsu.

Фирма Sony является одним из крупнейших мировых производителей фотографических матриц. Ими оснащаются также собственные фотоаппараты под этим брендом. Лишь Canon опережает его по объему производства матриц (только для собственных нужд). Еще стоит отметить продукцию:

• Samsung;
• Panasonic;
• Kodak;
• E2V;
• Aptina;
• Sigma;
• Foveon.

Как бы ни старались производители, пыль и другие факторы, просто повседневная эксплуатация неизбежно будут сказываться на характеристиках матриц. Их обязательно надо проверять на битые и горячие пиксели. Такая проверка зеркального фотоаппарата производится следующим образом:

• отключают подавление шумов;
• чувствительность матрицы выставляют на минимум или на близкое к нему значение;
• задают ручной режим экспозиции;
• выключают автофокус.

На снимке с выдержкой 1/3 секунды не должно быть цветных или серых точек. Обнаружив хотя бы несколько таких включений, надо ознакомиться с кадром, сделанным при выдержке 1/60. Если там подозрительных точек нет или существенно меньше, можно считать, что первая стадия оценки прошла успешно. На самой длинной выдержке даже у полностью исправной матрицы неизбежно обнаружится 5 или 6 цветных точек. Таковы неизбежные физические процессы, и они не ухудшат каким-либо образом картинку.

Цветные точки могут появляться при высокой чувствительности. Так тоже проявляются горячие пиксели. Но это компенсируется очень легко — достаточно включить шумоподавитель. Проблемой являются видимые при средней выдержке и малом ISO многочисленные точки. Когда их больше 5 штук, стоит отложить камеру и приступить к проверке другого фотоаппарата, иначе деньги будут брошены на ветер.

В следующем видео смотрите о матрице фотоаппарата.