Главное отличие пленочного фотоаппарата от цифрового заключается в способе фиксации света, прошедшего через объектив. Там, где в традиционных пленочных фотоаппаратах располагается пленка, у цифровой камеры находится электронная матрица со светочувствительными элементами. Именно на поверхности электронно-оптического преобразователя (матрицы) создается изображение, которое затем превращается в электрические сигналы, обрабатываемые процессором камеры. От матрицы цифрового фотоаппарата напрямую зависит не только качество получаемых фотографий, но и стоимость самой камеры. Что же собой представляет светочувствительная матрица и каким образом создается цветное изображение в цифровом фотоаппарате?

 Матрица: типы и принцип работы

Светочувствительная матрица является ключевым элементом любой современной цифровой камеры. Ее можно назвать «сердцем» цифрового фотоаппарата. Если же сравнивать камеру с человеческим глазом, то матрица – это сетчатка цифрового аппарата, на которой оптический сигнал преобразуется в цифровое изображение. Матрица или сенсор представляет собой сложно структурированную пластинку из полупроводникового материала. На этой микросхеме имеется упорядоченный массив светочувствительных элементов. Миллионы таких светочувствительных элементов или пикселов изолированы друг от друга и формируют только одну точку изображения. Нужно отметить, что, несмотря на высокую точность в изготовлении матриц цифровых фотоаппаратов, каждый сенсор по своему уникален и потому двух совершенно одинаковых камер по своему характеру не существует.

Основная задача матрицы фотоаппарата заключается в том, чтобы обеспечить преобразование оптического изображения в электрическое. При спуске затвора фотоаппарата на миллионы крошечных ячеек попадает свет, на них накапливается заряд, который, естественно, разнится в зависимости от количества света, попавшего на данную ячейку матрицы. Эти заряды передаются на электрическую схему, которая призвана усилить их и преобразовать в цифровой вид. Усиление сигнала выполняется в соответствии с настройками чувствительности ISO, выбираемых камерой автоматически или самостоятельно устанавливаемых пользователем. Чем больше выбираемая чувствительность ISO отличается от реальной светочувствительности матрицы, тем сильнее сигнал. Но усиление сигнала может негативно сказаться на итоговом изображении – появляется так называемый «шум» в виде случайных помех.

Матрица фотокамеры Nikon D40

На сегодняшний день при производстве светочувствительных матриц для цифровых фотоаппаратов используются, главным образом, две технологии – CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) и CCD (Charge Coupled Device). В русском переводе эти два типа сенсоров известны как КМОП и ПЗС-матрицы.

КМОП-матрицы изготавливаются из комплементарных металлооксидных полупроводниковых материалов. Их ключевая особенность состоит в том, что они умеют считывать и усиливать световой сигнал с любой точки своей поверхности. КМОП-матрица может преобразовывать заряд в напряжение сразу в пикселе. Эта особенность позволяет значительно повысить скорость работы фотоаппарата при обработке информации с матрицы.

Кроме того, подобная технология дает возможность интегрировать матрицы непосредственно с аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), что обеспечивает удешевление цифрового фотоаппарата за счет некоторого упрощения его конструкции. Плюс ко всему, КМОП-матрицы отличаются более низким энергопотреблением. Однако у них есть существенный недостаток – для того, чтобы повысить светочувствительность матрицы и улучшить, тем самым, качество изображения производителям приходится существенно увеличивать физические размеры сенсора.

ПЗС-матрицы получили большое распространение в современных цифровых фотоаппаратах любительского и профессионального уровня даже несмотря на то, что они отличаются чуть большей трудоемкостью в производстве. Принцип работы такой матрицы основывается на построчном перемещении накопленных электрических зарядов.  В процессе считывания заряда осуществляется перенос зарядов к краю матрицы и в сторону усилителя, который далее передает усиленный сигнал в аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Поскольку информация из ячеек считывается последовательно, то сделать следующий снимок можно только после того, как предыдущее изображение сформировано целиком. В то же время преимуществом ПЗС-матриц являются их сравнительно небольшие размеры.

ПЗС-матрицы, используемые в современных цифровых фотоаппаратах, по своей конструкции делятся на полнокадровые, с буферизацией кадра, буферизацией столбцов, с прогрессивной разверткой, чересстрочной разверткой и с обратной засветкой. Например, в чересстрочных ПЗС каждый пиксель обладает как приемником света, так и областью для накапливания заряда. В свою очередь, в полнокадровых матрицах весь пиксель выполняет функцию приема светового потока, а каналы передачи заряда спрятаны под пиксель.

Довольно долгое время считалось, что ПЗС-матрицы обладают большей светочувствительностью, более широким динамическим диапазоном и лучшей устойчивостью к шумам, по сравнению с КМОП-сенсорами. Поэтому цифровые фотоаппараты с ПЗС-матрицами использовались там, где требуется обеспечить высокое качество изображения, а камерам с КМОМ-сенсорами отводилась роль недорогих любительских устройств. Однако за последние годы производителям вследствие улучшения качества кремниевых пластин и схемы усилителя удалось существенно повысить характеристики КМОП-матриц. И теперь по качеству изображения камеры на основе КМОП-матриц практически ни в чем не уступают фотоаппаратам, в которых используются ПЗС-сенсоры.

Новейшие КМОП-сенсоры способны гарантировать профессиональное качество снимков. А потому с точки зрения качества фотоизображения, собственно, тип матрицы уже мало о чем говорит, гораздо более важным фактором являются конкретные характеристики данного сенсора — его физические размеры, разрешающая способность, светочувствительность, соотношение сигнал — шум.

Как мы уже выяснили, матрица цифрового фотоаппарата состоит из огромного количества светочувствительных полупроводниковых элементов прямоугольной формы, называемых пикселями. Каждый такой пиксель собирает электроны, возникающие в нем под действием фотонов, пришедших от источника света. Но как же происходит процесс формирования изображения матрицей фотоаппарата?

В упрощенном виде об этом можно рассказать на примере ПЗС-матрицы. Во время экспозиции кадра, регулируемой с помощью затвора фотоаппарата, каждый пиксель постепенно заполняется электронами пропорционально тому количеству света, которое попало на него. Далее затвор фотоаппарата закрывается, и столбцы с накопленными в пикселях электронами начинают сдвигаться к краю сенсора, где размещается аналогичный измерительный столбец.

В этом столбце заряды сдвигаются уже в перпендикулярном направлении и, в конечном счете, попадают на измерительный элемент. В нем создаются  микротоки, пропорциональныепопавшим на него зарядам. Благодаря такой схеме становится возможным определить не только значение накопленного заряда, но и какому пикселю на матрице, то есть номер строки и номер столбца, он соответствует. На основе этого строится картинка, соответствующая сфокусированному на поверхности светочувствительной матрицы изображению. В матрицах, построенных по технологии КМОП, заряд преобразуется в напряжение прямо в пикселе, после чего он может быть считан электрической схемой фотоаппарата.

Формирование цветного изображения

Сенсоры цифровых фотоаппаратов способны реагировать только на силу попадающего на них света. То есть они могут определять исключительно градации интенсивности света — от полностью белого до полностью черного. Чем больше фотонов попало на пиксель, тем, соответственно, выше яркость света. Но как в таком случае цифровой фотоаппарат распознает цветовые оттенки? В традиционных пленочных фотокамерах используется негативная пленка, состоящая из трех слоев, которые позволяет пленке сохранять различные цветовые оттенки света. В цифровых же камерах реализуются иные технические решения для формирования цветного изображения.

Для того, чтобы сенсор цифрового фотоаппарата мог различать цветовые оттенки, над его поверхностью устанавливают блок микроскопических светофильтров. Если в матрице используются микролинзы, служащие для дополнительной фокусировки света на пикселях с целью повышения их чувствительности, то фильтры размещаются между каждой микролинзой и ячейкой.

Как хорошо известно, любой цвет в спектре можно получить путем смешения всего нескольких основных цветов (красного, зеленого и синего). Распределение светофильтров по поверхности сенсора для формирования цветного изображения может быть разным, в зависимости от выбранного алгоритма. В большинстве цифровых фотоаппаратов сегодня применяется цветовая модель Байера (Bayerpattern).

В рамках этой системы цветовые фильтры над поверхностью матрицы располагаются вперемежку между собой, в шахматном порядке. Причем количество зеленых фильтров в два раза больше, чем красных или синих, поскольку человеческий глаз более чувствителен к зеленой части светового спектра. В результате, получается так, что красные и синие фильтры располагаются между зелеными. Шахматный порядок в расположении фильтров необходим для того, чтобы одинаковые по цвету изображения получались вне зависимости от того, как пользователь держит фотокамеру – вертикально или горизонтально.

Цветовая модель Байера (ист. www.figurative.ru)

Таким образом, цвет каждого пикселя определяется прикрывающим его светофильтром. В получении информации о цвете участвуют все экспонированные элементы ячейки. Само же цветное изображение строится электроникой камеры уже после того, как снимаемый с ячеек сенсора камеры электрический сигнал преобразуется в цифровой код аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Впрочем, КМОП-сенсоры могут и самостоятельно обрабатывать цветовую составляющую сигнала.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

Как мы уже поняли, работа светочувствительной матрицы тесно связана с аналого-цифровым преобразователем камеры (АЦП). После того, как каждый из миллиона светочувствительных элементов матрицы преобразует энергию падающего на него света в электрический заряд, этот накопленный заряд усиливается до необходимого уровня для последующей его обработки аналого-цифровым преобразователем.

Аналогово-цифровой преобразователь – это устройство, отвечающее за преобразование входного аналогового сигнала в цифровой сигнал.  АЦП переводит аналоговые величины полученного каждым светочувствительным элементом электрического заряда в цифровые величины, которые далее автоматика камеры, в частности, встроенный микропроцессор, получает уже в двоичном коде.

Главной характеристикой АЦП является его разрядность, то есть количество дискретных уровней сигнала, которые кодируются преобразователем. К примеру, одноразрядный аналогово-цифровой преобразователь может классифицировать сигналы светочувствительных  датчиков только как черные (0) или белые (1). А восьмиразрядный АЦП способен построить уже 256 различных значений яркости для каждого датчика. В современных моделях цифровых фотоаппаратов с сенсорами большого размера используются 12-, 14- либо 16-разрядные аналого-цифровые преобразователи. Высокая разрядность установленного в камере АЦП может свидетельствовать о том, что данный цифровой фотоаппарат способен создавать изображения с широким тональным и динамическим диапазонами.

После того, как АЦП выполнит преобразование аналоговых напряжений, полученных с датчиков, в двоичную кодированную метку, состоящую из нулей и единиц, он передает эти оцифрованные данные нацифровой процессор сигналов камеры. В процессоре эти данные уже преобразуются в цветную картинку в соответствии с внесенными производителем алгоритмами, включающими в себя, в частности, определение координат точек изображения и присвоения им определенного цветового оттенка. При построении цветового изображения встроенная электроника камеры обеспечивает регулировку яркости, контрастности и насыщенности картинки. Также она убирает с него различные помехи и «шумы».

Безусловно, сенсор и связанный с ним аналого-цифровой преобразователь – это не единственные составляющие цифровой камеры, которые определяют ее качество. Оптика, электроника и другие элементы также очень важны для обеспечения высокого качества создаваемых фотоизображений. Тем не менее, уровень современного цифрового фотоаппарата принято определять именно исходя из технического совершенства установленной в нем светочувствительной матрицы. Более того, развитие фототехники в целом сегодня во многом определяется скоростью разработки все более совершенных сенсоров.

  Источник: Фотокомок.ру – тесты и обзоры фотоаппаратов (при цитировании или копировании активная ссылка обязательна)