Примерное время чтения: 6 минут
546

Светочувствительный сенсор

Сердцем цифрового фотоаппарата можно назвать светочувствительный сенсор. Это самое дорогое и самое сложное устройство цифровой камеры.

Устроен сенсор очень мудрено. В большинстве случаев это набор миниатюрных полупроводниковых приборов с зарядовой связью, объединенных в матрицу. Эта технология называется матрицей ПЗС. Именно на ее основе построены сенсоры самых популярных моделей цифровых фотоаппаратов.

Конкурирующей и более дешевой технологией является КМОП-матрица. Сенсоры, построенные по технологии КМОП, устанавливаются в самые дешевые цифровые фотоаппараты без цветных дисплеев и в подключаемые к компьютеру веб-камеры.

Обычно сенсоры ПЗС обладают хорошей светочувствительностью (от 100 единиц ISO и выше), высоким разрешением (от 1,3 мегапикселя) и устойчивостью к цветовым шумам. Матрицы КМОП имеют невысокую светочувствительность (около 50 единиц ISO), имеют разрешение от 350 тысяч пикселей до 1,3 мегапикселя, подвержены цветовым шумам. Поэтому мы будем говорить преимущественно о фотоаппаратах с матрицами ПЗС.

Принцип работы сенсора ПЗС основан на способности полупроводников изменять свойства проводимости при попадании на поверхность прибора света. К каждой ячейке матрицы подводится электрический ток. В зависимости от степени засветки ячейка меняет степень проводимости, уменьшая силу тока на небольшую величину. Электроника фотоаппарата регистрирует это изменение и строит на основе этих данных цифровое изображение. Таким образом сенсор ПЗС потребляет энергию в течение всего рабочего цикла камеры - до полного выключения питания.

В сенсорах КМОП использована способность некоторых материалов индуцировать слабый ток при облучении их светом. Именно эти электрические сигналы считываются электроникой фотоаппарата и используются для построения цифрового изображения. Сенсор КМОП не нуждается в электропитании, но обладает низкой светочувствительностью и реактивностью - КМОП недоступны слишком короткие выдержки, а для съемок в помещении приходится включать вспышку (хотя в совсем простых фотоаппаратах ее может и не быть).

Фотоматрицы способны фиксировать только однотонные (черно-белые) градации яркостей. Для получения цветного изображения ячейки матриц снабжаются светофильтрами трех базовых цветов, а сами элементы объединяются в триады. То есть одна ячейка светочувствительной матрицы состоит из трех субэлементов...

С практической точки зрения нас интересуют четыре основные характеристики светочувствительного сенсора ПЗС (камеры с сенсорами КМОП для более-менее серьезных занятий фотосъемкой не годятся). Это физический размер сенсора, его разрешение, динамический диапазон и шумовые параметры.

Физический размер сенсора - величина, определяющая качество не только светочувствительной матрицы, но и всего фотоаппарата - измеряется в дюймах по диагонали. Самый ходовой размер 2/3 дюйма. Можете представить, насколько это меньше кадрового окна 35-миллиметровой фотопленки (в одном дюйме 2,54 см). Чем сенсор больше, тем больше ячеек помещается на его поверхности и тем выше качество оцифровки изображения. Сенсор величиной 1/3 дюйма хуже, чем сенсор 2/3.

Разрешение сенсора выражается в тысячах пикселей для матриц невысокого разрешения и в мегапикселях для матриц высокого разрешения. Чтобы разобраться в значимости разрешения, придется включить компьютер.

Стандартное разрешение монитора компьютера - VGA или 640х480 пикселей. Умножим эти два значения и получим 307.200 пикселей. Следовательно, сенсор разрешением 350 тыс. пикселей даст снимок с максимальным разрешением, которое приблизительно равно экранному разрешению VGA. Снимок в этом разрешении можно развернуть на весь экран.

Для отображения снимка в самом популярном экранном режиме XGA - 1024х768 пикселей - достаточно сенсора с разрешением в 780 тыс. пикселей. Зачем же тогда нужны сенсоры разрешением в 2,1 миллиона пикселей (или мегапикселей), в 3 миллиона, в 5 миллионов?

Теперь нам придется сосредоточиться на другом компьютерном устройстве - принтере. Здесь все иначе. Если для экрана 15-дюймового монитора разрешения 1024х768 пикселей достаточно, то для отпечатка размером 10х15 см - ни в коей мере.

Дело в том, что стандартное разрешение экрана монитора определяется величиной экранного пикселя - около 0,28 мм - и составляет 72 или 96 пикселей на дюйм. Для экранного отображения графической информации, этого достаточно.

На бумаге дело обстоит по-другому. Для получения высококачественного отпечатка приходится выбирать разрешение в 300 и более точек на дюйм. Соответственно и разрешение, с которым отснята фотография, должно быть выше. Для отпечатка размером 10х15 см стандартным считается разрешение в 2 мегапикселя.

Значит, любительская цифровая фотография начинается с камеры, сенсор которой имеет разрешение не менее 2 мегапикселей. Меньше - недопустимо, больше - очень желательно. Со снимка разрешением в 5 мегапикселей можно без потери качества отпечатать большой цветной плакат. Если это, конечно, когда-нибудь будет нужно.

Обратите внимание на некоторое разночтение. Экранное разрешение и разрешение сенсора определяется в пикселях, а разрешение принтера - в точках на дюйм. Разница носит формальный характер. Считается, что пиксель - элемент экранного изображения - имеет правильную прямоугольную форму. Точка распечатки на бумаге имеет неправильную круглую форму, которая может изменяться в зависимости от качества бумаги и особенностей печатающего устройства. Для специалистов эта терминология важна, для нас - только любопытная подробность...

Вернемся к характеристикам сенсоров. Динамический диапазон светочувствительной матрицы - это способность воспринимать градации для каждого из цветов. Измеряется динамический диапазон в условных единицах. В качестве эталонного показателя приняты градации нейтрального серого цвета.

Динамический диапазон самого совершенного сенсора лишь приближается к динамическому диапазону фотопленки. А сенсоры популярных камер имеют примерно такой же динамический диапазон, что и обычная фотобумага распространенных марок, то есть на порядок меньше. Это означает, что при печати фотографий с пленочных негативов и при печати цифровых фотографий мы получим сравнимое качество. Хотя большая часть динамического диапазона негатива останется нереализованной: Поэтому для оцифровки обычных фотографий лучше сканировать негативы, а не отпечатки.

Последняя важная характеристика светочувствительного сенсора - шумовая. Цветовые шумы проявляются на снимке в виде цветных ореолов на границах резких переходов света к тени, беспорядочных цветных пятен (артефактов) в тенях и цветовых искажений при съемке объектов, имеющих резко отличную цветовую температуру, например, белое лицо на красном фоне (лицо получится красноватым).

Выбрать фотоаппарат с малошумной матрицей на глазок невозможно. Но, как правило, дорогие аппараты снабжены малошумными сенсорами, а дешевые - относительно шумными.

Для компенсации цветовых искажений в цифровых фотоаппаратах используются схемы цветовой коррекции или баланса белого. Это крайне важный механизм, который в камерах среднего и полупрофессионального уровня имеет ручную настройку, а в любительских фотоаппаратах - автоматическую.

Смысл коррекции баланса белого в том, что белый лист бумаги в комнате, освещенной лампами накаливания, будет казаться нам белым, хотя на самом деле, и камера это обязательно передаст, будет желтым - из-за цвета свечения ламп накаливания. Если подкорректировать цветочувствительность матрицы, задав значение желтого как белого, искажений удастся избежать.

В профессиональных камерах есть ручная настройка баланса белого. При сведении баланса перед объективом фотоаппарата раскладывают белый лист бумаги и нажимают кнопку установки баланса. В любительских камерах баланс выбирают посредством меню на дисплее фотоаппарата из предустановленных значений. Или полагаются на автоматику - большинство цифровых фотоаппаратов способно отличить естественное дневное освещение от света ламп накаливания.

Одним из лучших на сегодня сенсоров оборудован фотоаппарат Konica Digital Revio KD-500Z. Рекордно высокое разрешение в 5 мегапикселей говорит само за себя.

Смотрите также:

Оцените материал

Также вам может быть интересно