Ознакомьтесь с некоторыми советами и выберите лучшее решение. Узнайте, какая матрица в вашей цифровой зеркальной или цифровой камере является лучшей.
Прежде чем принять решение о покупке камеры, следует внимательно прочитать описание товара, в котором указаны точные технические характеристики. Это позволит вам выбрать оборудование, которое отлично ощущается в ваших руках.
Размер датчика играет ключевую роль. Малые матрицы обеспечивают большую глубину резкости и используются в ультразум-камерах. Однако более крупные датчики обеспечивают более широкое поле зрения. Кроме того, мы можем ожидать более качественных фотографий даже в условиях низкой освещенности. Конечно, такие оснащенные камеры стоят относительно дорого: их ценят самые требовательные пользователи. Поэтому нет сомнений в том, что размер матрицы в цифровых камерах является важным критерием покупки.
Перед покупкой следует обратить внимание на типы датчиков. В нашем руководстве представлены все наиболее популярные решения. Выбор зависит от ваших предпочтений и типа фотографий, для съемки которых вы используете устройство. Не забудьте ознакомиться со всеми деталями, чтобы выбрать правильный тип и размер датчика. Отзывы в Интернете и советы профессиональных пользователей также могут помочь вам сделать выбор.
Производители дешевых камер часто обманывают, заявляя в первую очередь размер изображения и выставляя огромные цифры в качестве эффективной рекламной уловки. Однако это не говорит о качестве сделанных снимков. Сенсоры камер могут быть разных классов. Однако если матрица не обладает достаточным разрешением, большие изображения будут иметь низкую детализацию и высокий уровень шума на выходе.
Немного технической информации
Датчики цифровых камер делятся на два основных типа в зависимости от используемых полупроводников и технологии считывания информации.
- Наиболее распространенным типом датчика является ПЗС. Это относительно недорогая технология, и информация об изображении считывается последовательно из каждой ячейки.
- КМОП-датчики дороже, но более эффективны с точки зрения скорости, поскольку считывают все светочувствительные элементы одновременно. КМОП-датчики используются в камерах высокого класса, поскольку ни один производитель не упустит возможности предложить пользователям более длинные выдержки, что, в свою очередь, повышает сложность аппаратного и программного обеспечения.
Большинство камер потребительского класса оснащены ПЗС-матрицами. Это ожидаемое условие: чтобы сделать действительно хорошие снимки при естественном освещении (или при слабом освещении), лучше использовать штатив, так как выдержка будет значительной. Точно так же нельзя снимать очень быстро из-за времени, которое требуется для захвата и обработки изображения.
Некоторые производители решают последнюю проблему простым способом, оснащая свои камеры буфером памяти. Именно здесь хранятся кадры перед обработкой при съемке в так называемом спортивном режиме – сериями за короткий промежуток времени.
Более дорогие камеры, оснащенные CMOS-сенсорами, позволяют вести съемку “с рук” с длинными выдержками, обладают высокой светочувствительностью и низким уровнем шума. С помощью такого оборудования можно проводить замеры экспозиции, сократить время автофокусировки и, конечно, легко сделать хорошую фотографию.
Еще одна технология, которая используется в самом дорогом фотооборудовании, – это многослойные сенсоры. Это не просто еще один пункт в списке “типов датчиков”. Фоточувствительная область этих устройств состоит из трех слоев ПЗС, каждый из которых считывает только один цвет. Результат – потрясающее качество изображения. Устройства с этой технологией имеют специальную маркировку: 3CCD.
И последнее, о чем стоит упомянуть, это технологические размеры датчиков. ПЗС-датчики могут быть небольшими, поскольку построены на кремниевых элементах. А CMOS-датчики довольно большие, что является еще одной причиной их использования в дорогом профессиональном оборудовании.
Однако 1/1,7-дюймовые сенсоры используются в некоторых относительно устаревших камерах Pentax серии Q.
Размер сенсора – все, что нужно знать
Раньше было логично, что если вы покупаете компактную камеру, то получаете маленький сенсор, а если вы покупаете большую зеркальную камеру со сменными объективами, то сенсор у нее гораздо больше. Это повлияло на качество фотографий, поскольку чем больше сенсор, тем более детализированными получаются снимки.
Это важно еще и потому, что сенсор – самая дорогая часть камеры с точки зрения производства, и больший сенсор означает более дорогую камеру. Именно поэтому дорогие камеры обычно не имеют матриц размером 1/2,3 дюйма, а в дешевых камерах вы не найдете полнокадровых матриц.
Однако справедливости ради следует отметить, что сейчас многие производители начали предлагать компактные камеры с относительно большими матрицами, так же как и камеры со сменными объективами с меньшими матрицами. Поэтому разобраться в ситуации, возможно, стало сложнее. Маленькие датчики хорошо работают в различных условиях и даже имеют некоторые преимущества перед большими.
Сама технология сенсоров значительно продвинулась вперед за последние годы, поэтому большое количество доступных сейчас вариантов может запутать даже опытного пользователя, не говоря уже о том, кто покупает свою первую камеру. Размер матрицы также влияет на фокусное расстояние, поэтому при выборе камеры действительно есть что учитывать.
Поэтому мы решили рассмотреть различные типы датчиков, чтобы расставить все по своим местам. Но сначала нужно объяснить, как именно размер матрицы влияет на эффективное фокусное расстояние.
Фокусное расстояние
Итак, мы уже выяснили, что размер матрицы связан с фокусным расстоянием, то есть с тем, какой объектив подходит к вашей камере. Если вы покупаете компактный аппарат с несъемным объективом, эта проблема исчезает, то есть с точки зрения покупателя все гораздо проще. Но есть причина, по которой профессионалы выбирают камеры со сменными объективами. Каждый объектив должен иметь область изображения (круг) или диаметр света, который существует в объективе и совпадает с размером матрицы. Есть одно исключение, к которому мы вернемся позже.
Поэтому, встроенные или нет, объективы всегда маркируются фактическим фокусным расстоянием, а не эффективным фокусным расстоянием, которое вы получите при использовании объектива с конкретной камерой. Проблема, однако, заключается в том, что разные объективы с разной маркировкой могут в итоге давать одинаковое фокусное расстояние для работы. Почему? Потому что они предназначены для разных датчиков. Именно поэтому производители указывают эквивалент в дополнение к обозначению, где основным расстоянием считается 35-мм или полнокадровый сенсор.
Вот один пример: камера с матрицей меньшего размера, чем полнокадровая, может использоваться с объективом 18-55 мм, но в реальности результирующее фокусное расстояние будет ближе к 27-82 мм. Это происходит потому, что матрица недостаточно велика, чтобы использовать объектив точно так же, как на полном кадре. Поскольку периферийное пространство внутри объектива не учитывается, вы получаете тот же эффект, что и при использовании объектива с большим фокусным расстоянием.
Компактные камеры могут иметь объектив 19 мм, но из-за размера матрицы, которая меньше, чем у полнокадровых камер, достигается большее фокусное расстояние – около 28 мм. Точное расстояние определяется кроп-фактором – числом, на которое мы увеличиваем фокусное расстояние, указанное для полного кадра, чтобы узнать, какое расстояние мы получим на данной камере.
Размеры сенсора
1/2,3 дюйма
Размер такого датчика составляет примерно 6,3 x 4,7 мм. Это самый маленький сенсор, который можно найти в современных камерах, обычно в дешевых компактных моделях. Разрешение такого датчика обычно составляет 16-20 мегапикселей.
По крайней мере, некоторое время назад это было самым популярным. В настоящее время многие производители стали уделять больше внимания любительским камерам с более крупными матрицами, поэтому этот размер уже не так распространен, как раньше.
Однако преимущество такого размера заключается в том, что это компактная камера, которую можно использовать с длиннофокусными объективами, например, с компактными суперзумами. Более крупная матрица означает, что вам также потребуется более крупный объектив.
При хорошем освещении эти камеры могут давать хорошие результаты, но для более требовательных фотографов они определенно не подходят, так как имеют тенденцию к зернистости при слабом освещении.
1/1,7 дюйма
Размеры этих датчиков составляют 7,6 x 5,7 мм. С таким датчиком гораздо легче изолировать объект съемки от фона и, следовательно, получить лучшие результаты детализации как в тени, так и в свете. Это означает, что их уже можно использовать в более разнообразных условиях. Раньше это была самая популярная камера для любителей, но теперь ее роль быстро переходит к 1/1,7-дюймовому сенсору.
В отличие от этого, сенсоры 1/1,7 дюйма используются в некоторых относительно старых камерах Pentax серии Q.
Дюймовый датчик
Размер дюймового датчика составляет 13,2 мм x 8,8 мм. В настоящее время такие сенсоры очень популярны в различных типах камер, их размер позволяет им оставаться легкими и компактными. Логично, что наиболее популярным применением дюймового сенсора являются любительские карманные камеры, где объектив будет ограничен 24-70 мм или 24-100 мм (в эквиваленте 35 мм). Однако некоторые суперзум-камеры также используют его, примерами являются Sony RX10 III и Panasonic FZ2000.
Гораздо лучший дюймовый сенсор, знакомый нам по камерам серии Nikon 1, таким как Nikon 1 J5, – отличная легкая камера, способная делать великолепные фотографии и снимать видео в формате 4K. Датчик такого типа можно найти даже среди смартфонов – Panasonic CM1.
Камеры с дюймовым сенсором способны на гораздо более высокие результаты, чем предыдущие варианты. Их качество будет высоким, и даже компактные камеры обычно имеют широкую максимальную диафрагму, чтобы на матрицу попадало достаточно света, поэтому фотографии получаются резкими и четкими.
Отчасти это связано с технологией, а не только с размером сенсора. Современные датчики могут более эффективно улавливать свет.
Микро 4/3
Датчик micro 4/3 имеет физический размер 17,3 x 13 мм. Этот формат используется в компактных и беззеркальных камерах Olympus и Panasonic. Они не намного больше дюймового сенсора, но меньше сенсора APS-C, о котором мы поговорим ниже.
Фактически, размер матрицы micro 4/3 составляет одну четверть от размера полнокадрового сенсора, поэтому вычислить активное фокусное расстояние для нее просто – умножьте фокусное расстояние на 2.
Другими словами, объектив 17 мм на камере с матрицей micro 4/3 будет иметь то же фокусное расстояние, что и объектив 34 мм на камере с полнокадровой матрицей. Аналогично, 12-35 мм даст 24-70 мм и так далее.
Lumix DMC-LX100 использует 12,8-Мп матрицу micro 4/3 и является одной из компактных цифровых камер, которая предлагает множество функций в компактном размере. Камера оснащена объективом Leica с фокусным расстоянием 24-75 мм.
Средний физический размер этого датчика составляет 23,5 x 15,6 мм. Этот датчик используется в зеркальных камерах начального уровня и любительских камерах, а теперь и во многих беззеркальных камерах. Матрица APS-C обеспечивает превосходный баланс между качеством изображения, размером и вариативностью с точки зрения совместимости с различными объективами.
Не все датчики APS-C имеют одинаковый размер, поскольку это также зависит от производителя. Например, датчики APS-C на камерах Canon физически немного меньше, чем на камерах Nikon и Sony, поэтому кроп-фактор составляет 1,6x, а не 1,5x. В любом случае, APS-C – это всегда отличный вариант, и профессиональные фотографы часто предпочитают его для съемки дикой природы и спорта, поскольку кроп-отношение позволяет “приблизиться” к объекту съемки с помощью имеющегося объектива.
Матрица APS-C доступна в некоторых компактных камерах, таких как Fujifilm X100F, и обеспечивает высокое качество при съемке с рук, особенно в сочетании с объективами с фиксированным фокусным расстоянием. Объектив 23 мм на Fujifilm X100F имеет широкую максимальную диафрагму, что позволяет легко добиться малой глубины резкости.
Размер датчиков APS-H обычно составляет 26,6 x 17,9 мм. Сегодня этот формат практически не встречается и ассоциируется только со старыми моделями Canon EOS-1D (EOS-1D Mark III и Mark IV). Однако теперь в этой серии используется полнокадровая съемка.
Поскольку матрица APS-H больше, чем APS-C, но меньше, чем полнокадровая, кроп-фактор составляет 1,3x соответственно, поэтому объектив 24 мм даст фокусное расстояние около 31 мм на такой камере.
Одной из последних камер с таким датчиком изображения является Sigma sd Quattro H. Однако компания Canon также решила не отказываться от датчика APS-H полностью и решила использовать его в камерах наблюдения, а не в зеркальных камерах.
Полный кадр
36 x 24 мм, он же полный кадр, он же полнокадровый датчик изображения, он же полнокадровый датчик изображения, он же полнокадровый датчик изображения, он же тот же размер, что и негатив пленочной фотографии. Полнокадровые матрицы используются в любительских и профессиональных камерах и считаются наиболее удобным вариантом в фотографии. Размер такой матрицы позволяет ей получать больше света, и, следовательно, фотографии получаются более качественными, чем фотографии с меньшей матрицей. Соответственно, и с точки зрения количества пикселей выбор больше. Напротив, разрешение полнокадровых сенсоров варьируется от 12 до 50 Мп.
Конечно, кроп-фактор не имеет значения при использовании полнокадровой матрицы, поскольку обозначение объектива будет соответствовать активному фокусному расстоянию. Однако некоторые объективы, разработанные для матриц APS-C, можно использовать и с полнокадровыми матрицами, но разрешение будет ограничено (камера будет срезать углы, чтобы избежать виньетирования). Но, конечно, всегда следует проверять совместимость, иначе вы рискуете повредить зеркало.
Средний датчик
44 мм x 33 мм – таков размер такого датчика. Он явно больше полнокадрового, и с момента своего появления этот тип сенсора вызвал большой интерес и дискуссии. Они используются в камерах Fujifilm GFX 50S, Hasselblad X1D и Pentax 645Z, причем последняя немного старше остальных. В основном они используются только профессиональными фотографами из-за цены таких камер и их специфики.
Развитие сенсоров как таковых на этом не остановится, но пока на рынке представлены все их типы, и какой из них подходит для ваших фотографических интересов – решать вам.
Итак, встроенные или нет, объективы всегда обозначаются фактическим фокусным расстоянием, а не эффективным фокусным расстоянием, которое вы можете получить, используя их с данной камерой. Проблема, однако, заключается в том, что объективы с разной маркировкой могут в итоге иметь одинаковое фокусное расстояние для работы. Почему? Потому что они предназначены для разных датчиков. Именно поэтому производители указывают эквивалент в дополнение к обозначению, где 35 мм или полнокадровый сенсор считаются основным расстоянием.
Размер матрицы фотоаппарата – все, что нужно знать
Раньше было вполне логично, что при покупке компактной камеры вы получали маленькую матрицу, а если вы выбирали большую зеркальную камеру со сменными объективами, то матрица в ней была гораздо больше. Это повлияло на качество снимков, поскольку чем больше сенсор, тем более детализированными получаются снимки.
Теперь еще один важный момент: сенсор является самой дорогой частью камеры с точки зрения производства, и чем больше сенсор, тем, соответственно, дороже камера. По этой причине дорогие камеры обычно не имеют 1/2,3-дюймовых сенсоров, а те, что подешевле, не могут найти подходящий полнокадровый сенсор.
Однако справедливости ради следует отметить, что сейчас многие производители начали предлагать компактные камеры с относительно большими матрицами, так же как и камеры со сменными объективами с меньшими матрицами. Поэтому разобраться в этой ситуации, вероятно, сложнее. Маленькие датчики способны обеспечить отличные результаты в самых разных условиях и даже имеют некоторые преимущества перед большими датчиками.
Технология датчиков также значительно улучшилась за последние годы, поэтому даже опытный пользователь может запутаться в широком ассортименте предлагаемых датчиков изображения, не говоря уже о тех, кто покупает свою первую камеру. Размер матрицы также влияет на фокусное расстояние, поэтому при выборе камеры действительно есть что учитывать.
Поэтому мы решили рассмотреть различные типы датчиков, чтобы представить все в перспективе. Но сначала нужно объяснить, как именно размер матрицы влияет на эффективное фокусное расстояние.
Фокусное расстояние
Итак, мы уже выяснили, что размер матрицы связан с фокусным расстоянием, то есть с тем, какой объектив подходит к вашей камере. Если вы покупаете компактную камеру с несъемным объективом, проблема не возникает сама собой, а значит, с точки зрения покупателя все гораздо проще. Но есть причина, по которой профессионалы выбирают камеры со сменными объективами. Каждый объектив должен иметь область изображения (круг) или диаметр света, который существует в объективе и совпадает с размером матрицы. Есть одно исключение, к которому мы вернемся позже.
Поэтому, встроенные или нет, объективы всегда маркируются фактическим фокусным расстоянием, а не эффективным фокусным расстоянием, которое вы получите при использовании объектива с конкретной камерой. Проблема, однако, заключается в том, что объективы с разной маркировкой могут в итоге иметь одинаковое фокусное расстояние для работы. Почему? Потому что они предназначены для разных датчиков. Именно поэтому производители указывают эквивалент в дополнение к обозначению, где основным расстоянием считается 35 мм или полнокадровый сенсор.
Вот один пример: камера с матрицей меньше полнокадровой может использоваться с объективом 18-55 мм, но в реальности фокусное расстояние, которое вы получите, будет ближе к 27-82 мм. Это происходит потому, что матрица недостаточно велика, чтобы использовать объектив точно так же, как на полном кадре. Поскольку периферийное пространство внутри объектива не учитывается, вы получаете тот же эффект, что и при использовании объектива с большим фокусным расстоянием.
Компактные камеры могут иметь объектив с фокусным расстоянием 19 мм, но из-за размера матрицы, которая меньше, чем у полнокадровых камер, достигается более длинное фокусное расстояние – около 28 мм. Точное расстояние определяется кроп-фактором – числом, на которое нужно увеличить фокусное расстояние, указанное для полного кадра, чтобы узнать, какое расстояние вы получите на вашей конкретной камере.
Хорошая рама: оборудование за стеклом
Взгляд изнутри: датчики цифровых камер
Два месяца назад в статье о сравнении ЖК-дисплеев и дисплеев E-Ink я упомянул, что одним из моих следующих обзоров будет “вскрытие” сенсоров современных камер. И я спешу выполнить свое обещание!
Сначала “собрали” светочувствительные матрицы фронтальной и тыловой камер смартфона от известного корейского производителя, которые любезно предоставил Василий Столяров. Затем DarkWood, муженек, живущий в Подмосковье, прислал мне свою старую, неработающую камеру Pentax (здесь и далее я намеренно не буду указывать точную модель камеры). Устройство было мертво, и это была хорошая причина отдать его в мои заботливые руки, а не выбросить, как делают многие.
И как раз когда я собирался это выяснить, поступило еще одно предложение от моего одноклассника Ильи. Это было предложение, от которого я не мог отказаться. Мне дали относительно современный Canon, с которым были проблемы при съемке.
Итак, на столе “красных революционеров” три кандидата: штатная камера от телефона, камеры от Pentax (самая старая из всех участников) и Canon (вероятно, самая молодая).
На случай, если кто-то до сих пор не знает, зачем мы здесь, в подвале этой статьи есть ссылки на предыдущие “вскрытия”. А если кто-то забыл, как работает цифровая камера или для чего используется сенсор, посетите Wiki или посмотрите это видео с канала Discovery:
Теоретическая часть. ПЗС и КМОП
Датчики CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) захватили 90% мирового рынка, а CCD (Charge-Coupled Device), которые недавно пользовались огромной популярностью, в ближайшем будущем будут терять свои позиции.
Причин для этого много, и вот неполный перечень преимуществ технологии КМОП: во-первых, низкое энергопотребление в статическом состоянии по сравнению с ПЗС; во-вторых, КМОП сразу “выдает” цифровой сигнал, не требующий дополнительного преобразования (преобразование происходит в каждом отдельном субпикселе), в отличие от ПЗС, которые по сути являются аналоговыми устройствами; в-третьих, низкая стоимость производства, особенно при больших размерах сенсора.
Краткое введение в принципы работы КМОП-датчиков можно найти в двух видеороликах Canon:
Но все наши пациенты (за возможным исключением сенсора камеры в мобильном телефоне) принадлежат к эпохе, когда миром безраздельно правили ПЗС-матрицы, а КМОП только набирала силу и светочувствительность, чтобы впоследствии занять лидирующие позиции. Итак, несколько слов о том, как работает CCD-датчик. Более подробное описание всегда можно найти на страницах Wiki.
Фотон, исходящий от фотографируемого объекта, проходит через фильтр Байера, т.е. фильтр RGBG или RGBW и собирающую микролинзу, и попадает на светочувствительный полупроводниковый материал. После поглощения фотон генерирует электронно-дырочную пару, которая в клетке, под воздействием внешнего электрического поля, “расщепляется”, и электрон “отправляется” в хранилище, потенциальный колодец, где он будет ждать, пока его “прочитают”.
Диаграмма матрицы ПЗС (Источник)
С другой стороны, считывание данных с массива ПЗС является, так сказать, “периферийным”. Предположим, у нас есть массив размером 5 на 5 пикселей. Во-первых, с первого пикселя мы считываем количество электронов, или просто электрический ток. Затем специальный контроллер “сдвигает” все ячейки на одну, то есть заряд из второй ячейки перетекает в первую. Значение считывается снова и так далее, пока не будут считаны все 5 ячеек. Затем другой контроллер перемещает оставшееся “изображение” вниз на одну строку, и процесс повторяется до тех пор, пока не будут измерены токи во всех 25 ячейках. Это может показаться долгим процессом, но для 5 миллионов пикселей это занимает доли секунды.
Процесс считывания изображения с ПЗС-матрицы (Источник)
Чтобы объяснить это, я предлагаю вам посмотреть видео ниже:
Практическая часть
Обычно красивой разборкой занимаются люди в белых перчатках, недавно в их руки попали и камеры, но якобы за видеоинструкцию по сборке нужно доплатить, отправив текстовое сообщение на короткий номер. То, что последует далее, будет не более чем совершенно топорными методами, поэтому я бы не советовал повторять это дома…
Как разбирали телефон, вы всегда можете увидеть на страницах предыдущей статьи, поэтому здесь я не буду повторять эти захватывающие кадры.
Вышеупомянутая камера Pentax была представлена DarkWood, у которого, вероятно, уже должно быть кровоточащее сердце и жгучая мужская слеза на щеке:
Разборка Pentax в фотографиях
Из всех деталей нас интересует только ЖК-дисплей, который мы будем демонстрировать школьникам, приехавшим к нам, в FNM, на экскурсию, сама CCD-матрица, стекло с чем-то, подозрительно напоминающим поляризатор или фильтр, и ИК-отражатель (красная лампочка) для ночной съемки. Матрица жестко закреплена на корпусе камеры. Таким образом, все вибрации от ваших рук будут без труда передаваться непосредственно на сенсор, что не лучшим образом сказывается на качестве фотографий. Очевидно, что у DarkWood железные нервы.
Что, однако, не помешало ему “утопить” свою любимую камеру. Давайте помнить, когда мы едем летом в теплые страны и пытаемся сфотографировать очередную волну, что фотоаппарат – это устройство, в котором морские течения могут привести к коррозии.
Следы коррозии рядом с кабелем, ведущим к спусковому крючку (к сожалению, не единственное такое место)
Сразу видно, что Canon – это немного более продвинутая, более современная модель, чем Pentax. Например, датчик подпружинен (вы можете видеть маленькие пружинки в левом нижнем углу фотографии). Эта пассивная система стабилизации изображения способствует получению более качественных и четких фотографий, если, конечно, вы не невротик в стадии запущенности!
“Внутри канона
Кстати, на фото справа внизу хорошо виден огромный конденсатор, отвечающий за вспышку, из-за проблем с которым мне пришлось списать свой цифровой фотоаппарат Canon.
Камера мобильного телефона
Начнем наше исследование с камеры мобильного телефона, которой мы не будем уделять слишком много времени и слов в этой статье из-за того, что сам сенсор имеет довольно микроскопические размеры и трудно поддается обработке (распиливанию, шлифовке).
Как вы можете легко заметить на оптических микрофотографиях ниже, сенсор имеет две зоны у края: более светлую и более темную. Надеюсь, все уже догадались: под светлой стороной нет светодиодов, она просто нанесена с запасом, чтобы максимально прикрыть тонкую организацию души матрицы…
Покрываем все с запасом – не жалеем
Микрофотографии, сделанные с помощью оптического микроскопа, сильно отличаются от фотографий, сделанных с помощью электронного микроскопа. А как насчет, например, “квадрата сферы”?
Дело в том, что на оптике вы не видите прозрачных слоев (по крайней мере, они просто менее заметны), в то время как электронная микроскопия – это прежде всего метод анализа поверхности, а значит, вы можете обнаружить, что круглые цветные фильтры покрыты сверху квадратными “крышками”. Размеры такого кубического субпикселя составляют около 2,5 микрометров.
Итак, это квадрат сферы… в вакууме, между прочим.
Сенсор камеры Pentax
Давайте начнем изучение ПЗС-датчика в камере Pentax с оптических микрофотографий. К моему глубокому сожалению, из-за стерических трудностей, как говорят химики, в системе образец-микроскоп, не удалось сфотографировать при большом увеличении и рассмотреть отдельные субпиксели.
Что-то написано, интересно, вижу ли я где-то имена маленьких китайских детей?
Каждое место посадки контактов пронумеровано, но не к каждому из них подключен тот или иной контактный провод.
А вот как мы скоро научимся считать – конечно, с помощью нанотехнологий…
Четкая граница между самим штампом и “жгутом”.
А следующая микрофотография достойна учебника по электронной микроскопии. Знаете ли вы, почему электронный микроскоп не является измерительным прибором? Да, да, именно поэтому: из-за локального накопления зарядов сферические на первый взгляд объекты внезапно становятся эллипсоидами:
Но мы знаем, что это сферы…
Далее рассмотрим, что находится вокруг светочувствительной матрицы. Поскольку я не эксперт в создании электронных схем, я боюсь даже предположить, зачем нам нужны все эти сложные конструкции и “замысловатые” проводки, может быть, кто-нибудь захочет объяснить назначение следующих частей и компонентов (в комментариях, конечно)?
Неподвижные столбы, пережившие распиловку и полировку….
Вы можете запутаться в этих слоях и сломать ногу дьяволу.
Этот выпуск Inside Look является прорывным – после нескольких лет “мытарств” у нас наконец-то установлена новая система микроанализа, так что в некоторых случаях я смогу не только предоставить красивые изображения, но и объяснить, из каких химических элементов состоит то, что мы видим.
И вот самое интересное – матрица во всей своей красе. Под сеткой, в ячейках которой расположены микросферы-линзы, можно увидеть отдельные светочувствительные элементы (или их остатки, точнее сказать трудно). Более подробно о “поперечной” структуре сенсора я расскажу ниже, при обсуждении сенсора Canon. Пока давайте разберемся с данными местного химического анализа. Оказалось, что прицел сделан из вольфрама, а микросферы – это, видимо, диоксид кремния, который “покрыт” каким-то полимерным материалом. Более подробный анализ можно найти здесь.
Матрица во всей своей сложной красоте
Возвращаясь к первому изображению SEM в этой главе, можно сказать, что контактные пластины сделаны из чистого золота (да!), но проводники внутри датчика, похоже, сделаны из алюминия с тонким слоем меди, что находится на пределе чувствительности устройства. Более подробную информацию можно найти здесь.
Матрица камеры Canon
Продолжая погружение в микро- и наномиры, мы, как обычно, начинаем с оптической микроскопии. Как и в случае с Pentax, сенсор камеры Canon нельзя было сфотографировать при большом увеличении из-за геометрических несоответствий. Из полученных микрофотографий, однако, можно оценить размер одного субпикселя – около 1,5 мкм, что гораздо меньше размера сенсора мобильного телефона.
Оптические микрофотографии датчика Canon
Кстати, одним из виновников невозможности фотографирования с помощью оптического микроскопа при больших увеличениях является “маскирующий” слайд, закрывающий датчик и его “начинку”:
Удачный кадр: передача за стеклом
Конечно, самое интересное всегда скрывается именно в микросхемах, где распадающийся, строго упорядоченный мир дает трещину, позволяя заглянуть в самые сакраментальные уголки устройства:
К желто-оранжевым участкам этой фотографии мы вернемся чуть позже…
Уже знакомые колонны с совершенно непонятным назначением:
Как неумолимые оловянные солдатики
Теперь давайте более подробно рассмотрим конструкцию ПЗС-датчика. CCD-датчик покрыт сверху своеобразным полимерным слоем (1), который защищает светочувствительные элементы от неблагоприятных внешних условий. Под ним находятся микролинзы с красителем (2 и 3). Однако, поскольку электронная микроскопия не дает цветных изображений, невозможно с уверенностью сказать, окрашена ли большая или маленькая сфера. Микролинзы из диоксида кремния (наиболее вероятный материал для их изготовления) установлены в ячейки вольфрамовой решетки (4), под которой скрыты фоточувствительные элементы (5). И, конечно же, вся конструкция покоится на подложке из чистого кремния!
Учитывая, что матрица дополнительно защищена “покровным” стеклом, фотоэлементы защищены лучше, чем президент России в своем лимузине (после учета фактора масштаба, конечно).
Данные микроанализа можно скачать здесь.
Распределение массива по точкам. Описание в тексте
Но это еще не все. У нас все еще есть стекло, закрывающее матрицу, которое, по-видимому, является поляризатором. Она немного шероховатая по краям, но почти идеально гладкая на остальной поверхности. Оптическая микроскопия, похоже, не дала никаких результатов: стекло как стекло.
Стекло с подозрительным поляризатором: ничего необычного
Только электронная микроскопия выявляет химический контраст на изображении и полосчатую структуру. Толщина “пленки” составляет всего 2,5 микрометра, а толщина отдельных слоев – 180 и 100 нм, для более темных и более светлых слоев соответственно. Основываясь на микроаналитических данных (здесь), я рискну предположить, что более темные участки обогащены титаном, а более светлые – алюминием. Я думаю, это потрясающе!
Оказалось, что внутри камеры живет своей полосатой жизнью!
Послесловие
Это мир ушедшей эры ПЗС-матриц, каким он предстает перед нами сегодня.
Спасибо всем (Василию за телефон, Илье и DarkWood за камеры), кто внес свой вклад в эту статью. Браво всем вам за поддержку в этом нелегком деле!
И апофеоз этой статьи, вернее, ее апофигей:
Покойся с миром, пока мы не придумаем для тебя новое применение.
Бонус 1: Как выглядит зеленая пыльная буря в Москве?
Сначала я хотел сделать отдельный пост, но решил не загромождать пространство. Всего несколько дней назад зелено-желтое облако окутало Москву, и многие люди готовились к апокалипсису, но все обошлось… Какова истинная причина такой странной окраски?
В последние годы климат на нашей планете начал ухудшаться: теперь снег выпадает на Новый год, потом снег идет до самого пика, потом весна выглядит как зима, а потом вдруг наступает лето. Цветы, деревья и растительность менее приспособлены к таким пертурбациям, поэтому 1,5 месяца весны, сжатые в одну неделю, заставили растения пересмотреть свои планы размножения…
Утром я сел за свой стол и обнаружил на нем слой пыли, вытерев его салфеткой, я понял, что должен прилично осмотреть пыль. Готово!
Но у меня есть две новости – хорошая и плохая.
Хорошая новость заключается в том, что желто-зеленая окраска облака на самом деле была вызвана большим количеством пыльцы (я насчитал по крайней мере три вида):
Состав московской бури: пыльца… Внизу справа, пыльца на поверхности части растения
Плохая новость заключается в том, что мы тоже дышим им, причем каждый день, а не в период размножения растений (микро- и наночастицы, которые не каждый фильтр может уловить):
Состав московской грозы: не очень приятная пыль и грязь
Существует множество нюансов, которые необходимо учитывать при выборе камеры, обращая внимание на каждую деталь. Не последнюю роль в процессе выбора играют и характеристики матрицы, которой оснащена камера. Что же такое датчик и почему он так важен? Давайте узнаем!
Это параметр, который напрямую связан с чувствительностью. Он определяет уровень света и шума на фотографии.
Обратите внимание, что каждая фотография имеет определенное количество шума. Светочувствительность характеризуется тем же самым. Он не может иметь статических значений. Они будут разными, и это зависит от условий съемки.
Даже если света нет, фотодатчик все равно покажет определенное значение. Вот что такое шум. Чтобы получить хорошую фотографию, сигнал должен преодолеть шум на определенном уровне. Это явление называется “соотношение сигнал/шум”.
Чтобы фотография получилась четкой и без нежелательных шумов, фильтры должны быть правильно настроены, чтобы они не пропускали эти шумы.
Если вы увеличите уровень чувствительности датчика, действие фильтра ослабнет, чтобы захватить слабый сигнал. Но в то же время шум будет отражаться на изображении. Поэтому, если вы не хотите увеличивать чувствительность, выдержка должна быть установлена правильно.
Что необходимо сделать для снижения уровня шума?
Чтобы уровень шума был минимальным, чувствительность датчика должна быть установлена как можно ниже. Однако это напрямую зависит от того, позволяет ли выдержка камеры это сделать.
Если выдержка должна быть уменьшена, то одновременно должна быть увеличена чувствительность, что, в свою очередь, повышает уровень шума. При определенном значении на изображении будет виден шум. По этой причине выбирайте между более низкой чувствительностью и более длинной выдержкой.
Это говорит в пользу камеры с матрицей большего размера, которая уменьшает шум и замедляет выдержку для съемки объектов в движении без ухудшения качества изображения.
Затем цифровой сигнал принимается драйвером дисплея, декодируется, преобразуется в сигнал управления дисплеем, масштабируется, корректируется по цвету и генерируется уровень напряжения.
От носителя к дисплею
При передаче цифровой информации с носителя на дисплей видеокарта является важным звеном. Его графический редактор рассчитывает выходное изображение. Видеоконтроллер формирует изображение в видеопамяти. Он также обеспечивает генерацию сигналов развертки для монитора. Устройство TMDS отвечает за передачу цифрового сигнала на ЖК-дисплей.
Если видеокарта не имеет выхода DVI, она не сможет передавать цифровой сигнал. В этом случае он преобразуется сначала в аналоговую форму, а затем обратно в цифровую через АЦП самого дисплея. Процессы этих преобразований аналогичны описанным выше.
Затем цифровой сигнал поступает на контроллер дисплея, декодируется, преобразуется в сигнал управления дисплеем, масштабируется, корректируется цвет и генерируется уровень напряжения.
В зависимости от уровня напряжения частицы жидкого кристалла меняют свою пространственную ориентацию. В то же время изменяется способность пикселей пропускать свет, т.е. их прозрачность. Этот эффект позволяет воспроизводить и просматривать видео и фотографии.
КвантумФильм. Этот тип массива камер основан на кремнии и квантовых точках. Именно он позволяет улавливать световые лучи почти на 100%. Отсюда высокая резкость изображения даже при слабом освещении. Датчик компактен благодаря наличию квантовых точек.
Типы датчиков
В зависимости от технологии считывания и используемых полупроводников, существует два основных типа датчиков:
- Прибор с зарядовой связью или ПЗС (CCD);
- Композитный металл-оксид-полупроводник или КМОП.
Сенсор камеры типа CCD стоит недорого и постепенно уходит в прошлое. В камерах, оснащенных таким чипом, информация об изображении считывается из каждой ячейки по очереди, поэтому выдержки получаются значительными. По этой причине невозможно делать быстрые снимки, а если света недостаточно, необходимо использовать штатив.
CMOS-датчик появился на рынке сравнительно недавно (2008 год), хотя разработка этой технологии началась еще в 1993 году. Работа основана на выборке отдельных пикселей и аналогична работе карты памяти. По этой технологии часто изготавливаются полноразмерные датчики, поскольку при этом не теряются нижние, верхние и боковые края. Это позволяет использовать быстрые выдержки. Сам полупроводник является светочувствительным и бесшумным.
ВАЖНО: Основное различие между CCD и CMOS заключается в последовательности считывания ячеек. Технология CCD позволяет камере использовать автофокусировку и замер экспозиции. Последний тип датчиков менее дорогой и потребляет меньше энергии по сравнению с ПЗС.
Датчик Live-MOS – это улучшенная версия датчика CMOS. Он имеет меньше соединений, светочувствителен и потребляет меньше энергии.
Он используется исключительно для работы, производится компанией Panasonac. Поскольку размер сенсора невелик, камеры, оснащенные им, компактны.
Live-MOS имеет недостатки. Поскольку каждый пиксель имеет свою собственную электрическую цепь, в изображении часто возникают шумы и перегрев.
Сенсор Super CCD камеры имеет пиксели с восемью углами, некоторые из которых зеленые, маленькие и большие. Оставшиеся синие и красные пиксели имеют тот же размер, что и маленькие зеленые пиксели. Благодаря разным размерам свобода съемки увеличивается, а коэффициент покрытия пикселей составляет 100%. Из-за сложного принципа считывания сигнала камеры с таким датчиком потребляют много энергии и дорого обходятся производителю.
КвантумФильм. Сенсор камеры этого типа основан на кремнии и квантовых точках. Именно это позволяет улавливать световые лучи практически на 100%. Отсюда высокая резкость изображения даже при слабом освещении. Наличие квантовых точек позволяет датчику быть компактным.
Стоит отметить, что человеческий глаз не заметит принципиальной разницы между разными матрицами. Основное различие между ними заключается в процессе производства.
Тип матрицы камеры классифицируется в зависимости от светофильтра:
- RGB, наиболее распространенный;
- RGBW, позволяет получать хорошие снимки даже при слабом освещении;
- Благодаря RGBE-фильтру Bayer в нем много зеленых пикселей, что делает цвет кадра максимально приближенным к естественным тонам.
RGB означает “красный-зеленый-синий”. Все остальные цвета получаются в результате смешивания этих трех основных цветов.
Префикс “W” означает “белый”, что означает, что фильтр имеет дополнительный белый фотодиод. На что это влияет? Матрицы с до 50% белых фотодиодов снижают потери света примерно на 1/3. RGBW-камеры имеют лучшее соотношение шума и сигнала. Недостатком является потеря мелких деталей цвета при нормальном освещении.
Внутри корпуса цифровой камеры находится специальный датчик, также называемый сенсором камеры. Он расположен непосредственно за объективом. Это устройство улавливает поступающий свет, подобно фотопленке, но использует фотодиоды для создания специальных электрических сигналов. Эти сигналы затем используются для создания изображения, которое мы можем понять, и сохраняются в памяти. Как правило, каждый фотодиод создает одну точку изображения – пиксель. Раньше мы называли общее количество пикселей количеством мегапикселей. Раньше это были 1 или 2, а теперь вы можете найти 16, 24, 36 и даже больше.
Не слишком ли шумно?
Шум кажется совершенно неважным параметром, когда мы говорим о статичном изображении, но сенсоры различаются и в этом отношении. Так называемый цифровой шум показывает, насколько чувствительна матрица камеры к свету. Например, возьмите две камеры разной цены и класса, установите ISO на 3200 и снимайте по одному кадру при слабом освещении. Вы сразу поймете, о чем идет речь.
Как правило, диапазон ISO, в котором может работать камера, например 100-6400, обычно указывается в технических характеристиках устройства. Чем выше диапазон, тем потенциально лучше камера будет работать в условиях низкой освещенности, но даже здесь могут быть некоторые нюансы. Помните об этом при выборе камеры.
Читайте далее:
