Цифрові фотоапарати

Чутливість

До матрицям застосовується термін еквівалентний «чутливості», тому що:

• в залежності від призначення матриці формальне значення чутливості може визначатися різними способами за різними критеріями;
• аналоговим посиленням сигналу і цифровий постобробка можна міняти значення чутливості матриці в широкому діапазоні.

У цифрових фотоапаратів значення еквівалентної чутливості може змінюватися  в діапазоні ISO 50-12800. Максимальна використовувана в масових фотоапаратах чутливість відповідає відношенню сигнал / шум 2-5.

Дозвіл

Фотоматриця оцифровує (розділяє на шматочки - «пікселі») то зображення, яке формується об'єктивом фотоапарата. Але, якщо об'єктив в силу недостатньо високої роздільної здатностіпередає ДВІ світні точки об'єкта, розділені Третіх чорна, як одну крапку, що світиться на ТРИ підряд розташованих піксела, то говорити про точний дозволі зображення фотоапаратом не доводиться.

У фотографічній оптиці існує приблизне  співвідношенн : якщо роздільну здатність фотоприймача виразити в лініях на міліметр (або ж в пікселях на дюйм), позначимо її як M, і так само висловити роздільну здатність об'єктива (в його фокальній площині), позначимо її як N, то результуюче дозвіл системи об'єктив + фотоприймач, позначимо його як K, можна знайти за формулою:

 або   .

Це співвідношення максимально  при   , Коли дозвіл одно   , Тому бажано, щоб роздільна здатність об'єктиву відповідала роздільної здатності фотоприймача.

У сучасних цифрових фотоматриці роздільна здатність визначається розміром піксела, який варіюється у різних фотоматриці в межах від 0,0025 мм до 0,0080 мм, а у більшості сучасних фотоматриці він дорівнює 0,006 мм. Оскільки дві точки будуть різнитися якщо між ними знаходиться третя (незасвічені) точка, то роздільна здатність відповідає відстані в два пікселя, тобто:

 , Де p - розмір пікселя.

У цифрових фотоматриці роздільна здатність складає від 200 ліній на міліметр (у великоформатних цифрових фотокамер) до 70 ліній на міліметр (у web-камер і мобільних телефонів).

Фізичний розмір матриці

Фізичні розміри фотосенсорів визначаються розміром окремих пікселів матриці, які в сучасних фотосенсор мають величину 0,005-0,006 мм. Чим крупніше піксель, тим більше його площа і кількість збираного їм світла, тому тим вище його світлочутливість і краще ставлення сигнал / шум (в плівковій фотографії шуми називаються «зернистістю» або «гранулярністю»). Необхідний дозвіл деталей фотографії визначає загальну кількість пікселів, яке в сучасних фотоматрицю сягає десятків мільйонів пікселів ( Мегапікселів ), і тим задає фізичні розміри фотоматриці.

• Закони оптики визначають залежність ГРЗП від фізичного розміру матриці. Якщо сфотографувати трьома фотоапаратами з різним фізичним розміром матриці одну і ту ж сцену з одним і тим же кутом зору і одним і тим же значенням діафрагми на об'єктивах, і вивчити результат (файл на комп'ютері, роздруківку з принтера) в однакових умовах, то ГРЗП на знімку, зробленому фотоапаратом з найменшою матрицею, буде найбільшою (більше предметів в кадрі буде показано різко), а фотоапарат з найбільшою матрицею покаже найменшу ГРЗП (предмети не в зоні різкості будуть сильніше розмиті).
• Розміри фотосенсорів найчастіше позначають як «тип» у вигляді дрібних частин дюйма (наприклад, 1/1.8 "або 2/3"), що фактично більше реального фізичного розміру діагоналі сенсора. Ці позначення відбуваються від стандартних позначень розмірів трубок телекамер в 1950-х роках. Вони виражають не розмір діагоналі самої матриці, а зовнішній розмір колби передавальної трубки. Інженери швидко встановили, що з різних причин діагональ корисної площі зображення становить близько двох третин діаметра трубки. Це визначення стало усталеним (хоча і повинно було бути давно відкинуто). Не існує чіткої математичної взаємозв'язку між «типом» сенсора, вираженому в дюймах, і його фактичної діагоналлю. Однак, в грубому наближенні, можна вважати, що діагональ становить дві третини типорозміру.

 

Рис.6 - Порівняння розмірів фотосенсорів цифрових фотокамер і 35-мм плівки.

Відношення сторін кадру

• Формат кадру 4:3 в основному застосовується у побутових цифрових фотоапаратах. Деякі фірми, наприклад, Canon, допускають в цих фотоапаратах настройку співвідношення сторін у діапазонах 4:3 і 16:9.
• Формат кадру 3:2 застосовується в дзеркальних цифрових фотоапаратах, крім виконаних по стандарту 4:3 .
• Випускається незначне число моделей з кадром 16:9.
• У цифрових дзеркальних фотоапаратах Olympus використовується матриця зі співвідношенням сторін 4:3 (стандарт 4:3).

Пропорції пікселя

Випускаються матриці з трьома різними пропорціями пікселя:

• Для відеоапаратури випускаються сенсори з пропорцією пікселя 4:3 ( PAL )
• або 3:4 ( NTSC );
• Фотографічне, рентгенографічне та астрономічне обладнання, а також розвивається зараз HDTV відеообладнання зазвичай має квадратний піксель.

Типи  матриць по застосовуваної технології

 

Довгий час ПЗЗ-матриці були практично єдиним масовим видом фотосенсорів. Реалізація технології Active Pixel Sensors близько 1993 і подальший розвиток технологій привели у результаті до того, що до 2008 КМОП-матриці стали практично альтернативою ПЗС.

ПЗС-матриця

ПЗС-матриця складається з полікремнію , відокремленого від кремнієвої підкладки, у якої при подачі напруги через полікремневих затвори змінюються електричні потенціали поблизуелектродів .

До експонування зазвичай подачею  певної комбінації напружень на електроди  відбувається скидання всіх раніше утворилися зарядів і приведення всіх елементів  у ідентичне стан.

Далі комбінація напруг на електродах створює потенційну яму, в якій можуть накопичуватися електрони, що утворилися в даному пікселі матриці в результаті впливу світла при експонуванні. Чим інтенсивніше світловий потік під час експозиції , тим більше накопичується електронів в потенційній ямі, відповідно тим вище підсумковий заряд даного пікселя .

Після експонування послідовні зміни  напруги на електродах формують в  кожному пікселі і поряд з ним розподіл потенціалів, яке призводить до перетікання заряду в заданому напрямку, до вихідних елементів матриці.

КМОП-матриця - світлочутливий матриця , виконана на основі КМОП-технології .

 

Рис. 7 - КМОП-матриця

У КМОП-матрицях використовуються польові транзистори з ізольованим затвором з каналами різної провідності.

Еквівалентна  схема осередку КМОП-матриці: 1 - світлочутливий елемент (діод), 2 - затвор; 3 - конденсатор, що зберігає заряд з діода, 4 - підсилювач; 5 - шина вибору рядка; 6 - вертикальна шина, що передає сигнал процесору; 7 - сигнал скидання.

Live-MOS-матриця

Створена і застосовується компанією Panasonic. Виконана на основі МОП-технології , однак містить меншу кількість з'єднань для одного пікселя і харчується меншою напругою. За рахунок цього і за рахунок спрощеної передачі регістрів і керуючих сигналів є можливість отримувати «живе» зображення при відсутності традиційного для такого режиму роботи перегріву і підвищення рівня шумів.

Super CCD-матриця

У фотоапаратах фірми Fujifilm застосовуються матриці, що отримали назву «Super CCD», в яких присутні зелені пікселі двох різних розмірів. Великі - для малих рівнів освітленості. І малі, що збігаються за розміром з синіми і червоними. Це дозволяє збільшити фотографічну широту матриці на величину до 4-х ступенів .

Методи  отримання кольорового зображення

Сам по собі піксель фотоматриці є «чорно-білим». Для того, щоб матриця давала кольорове зображення, застосовуються спеціальні технічні прийоми.

трьохматричної системи

Вступник в камеру світло, потрапляючи  на пару діхроідних призм , ділиться на три основних кольори: червоний, зелений і синій. Кожен з цих пучків направляється на окрему матрицю (найчастіше використовується CCD матриці , тому в найменуванні відповідної апаратури вживається позначення 3CCD).

Трьохматричні системи застосовуються в відеокамерах середнього і високого класу.

Переваги трьох  матриць в порівнянні з одноматрічнимі

• краще передача колірних переходів, повна відсутність кольорового муару ;
• вище дозвіл: відсутній необхідний для усунення муару розмиває (low-pass) фільтр;
• вище світлочутливість і менший рівень шумів;
• можливість введення кольорокорекції постановкою додаткових фільтрів перед окремими матрицями, а не перед знімальним об'єктивом, дозволяє домогтися істотно кращої передачі кольору при нестандартних джерелах світла.

Недоліки трьох  матриць в порівнянні з одноматрічнимі

• принципово великі габаритні розміри;
• трьохматрична система не може використовуватися з об'єктивами з малим робочим відрізком ;
• в трьохматричної схемі є проблема відомості квітів , так як такі системи вимагають точної юстировки, причому, чим більшого розміру матриці застосовуються і чим більше їх фізичний дозвіл, тим складніше домогтися необхідного класу точності.

Матриці з мозаїчними фільтрами

У всіх таких матрицях пікселі розташовані в одній площині, і кожен піксель накритий світлофільтром якогось кольору. Відсутня колірна інформація відновлюється шляхом інтерполяції

Існує кілька способів розташування світлофільтрів. Ці способи розрізняються чутливістю і передачею кольору, при цьому чим вище світлочутливість, тим гірше кольоропередача:

• RGGB - фільтр Байера , історично найбільш ранній;
• RGBW мають більш високу чутливість і фотографічну широту (типово виграш чутливості в 1,5-2 рази і 1 ступінь по фотографічної широті), окремий випадок RGBW-матриці - CFAK-матриця компанії Kodak ;
• RGEB (червоний - зелений - смарагдовий - синій);
• CGMY (блакитний - зелений - ліловий - жовтий).

Матриці з полноцветними пікселами

Існують дві технології, що дозволяють одержувати з кожного пікселя всі три колірні координати. Перша застосовується в серійно випускаються камерах фірми Sigma , друга - на середину 2008 існує тільки у вигляді прототипу.

Багатошарові матриці (Foveon X3)

Фотодетектори матриці X3 компанії Foveon розташовані в три шари - синій, зелений, червоний. Назва сенсора «Х3» означає його «трехслойность» і «тривимірність».

Матриці X3 застосовуються в цифрових фотоапаратах Sigma .

Повнокольоровий RGB-матриця Nikon

У повнокольорових матрицях Nikon (патент Nikon від 9 серпня 2007 ) промені RGB предметних точок в кожному пікселі, що містить одну мікролінзу і три фотодіода, проходять через відкриту мікролінзу і падають на перше діхроідное дзеркало. При цьому синя складова пропускає перший діхроідним дзеркалом на детектор синього, а зелена і червона складові відображаються на друге дзеркало. Друге діхроідное дзеркало відображає зелену складову на детектор зеленого, і пропускає червону і інфрачервону складові. Третє діхроідное дзеркало відображає червону складову на детектор і поглинає інфрачервону складову .

Незважаючи на те, що прототип матриці  вже створений ( 2008 ), цей патент навряд чи знайде своє застосування в найближчим часом через істотних складностей у технології.

У порівнянні з усіма іншими системами, крім трьохматрична , дана технологія має потенційне перевагу в ефективності використання світлового потоку в порівнянні з технологіями RGBWабо фільтром Байєра . (Точний виграш залежить від характеристик пропускання фільтрів).

У порівнянні з Foveon X3 , дана технологія виграє в якості передачі кольору.

У порівнянні з 3CCD системами, даний тип матриці виграє в  можливості використання в дзеркальних  апаратах і у відсутності необхідності точної юстировки оптичної системи 

Об'єктив

Об'єктив - оптичний пристрій, призначене для створення дійсного оптичного зображення . В оптиці розглядається як рівнозначне збирає лінзі , хоча може мати інший вигляд, наприклад див. « Камера-обскура ».  Зазвичай об'єктив складається з набору лінз (у деяких об'єктивах - з дзеркал ), розрахованих для взаємної компенсації аберацій і зібраних в єдину систему всередині оправи .

 

Рис.8 – об’єктив

Характеристики  об'єктивів

Основні

• Фокусна відстань (і можливість його зміни );
• Кут поля зору об'єктиву ;
• Світлосила ;
• Максимальний відносний отвір (іноді неправильно зване світлосилою );
• Рівень і характер оптичних спотворень ( аберацій );
• Роздільна здатність ;
• Тип байонету або діаметр різьби для кріплення до камери - для змінних фотографічних або кінознімальних об'єктивів.