Цифровая камера Canon Digital IXUS

Рисунок 1.4. Цифровая камера Canon Digital IXUS

Диск со светофильтрами

Рисунок 1.1. Диск со светофильтрами

Поэтому при съемке происходит поочередная смена трех светофильтров — зеленого, синего и красного, устанавливаемых перед ПЗС-матрицей, что также требует значительных затрат времени.

Существует вариант, позволяющий уменьшить время съемки до приемлемого для фотографирования движущихся объектов значения. Для этого используется расщепление светового потока на три раздельных луча, каждый из которых попадает на отдельную матрицу со светофильтром (зеленым, синим или красным).

Классификация

Если попытаться провести классификацию цифровых фотокамер, то полученные категории будут примерно совпадать с существующими в области пленочной фотографии классами.

Изначально все цифровые фотоаппараты можно разделить на студийные и полевые. Как видно из названия, отличаются они друг от друга «средой обитания».

Общие принципы работы

Любой фотоаппарат, в том числе и цифровой, можно условно разделить на три части. Первая из них — оптическая система, состоящая из объектива (иногда с насадками) и затвора. Вторая часть — это регистратор изображения. Третья часть предназначена для хранения отснятых кадров. В обычном фотоаппарате функции второй и третьей частей выполняет пленка, в цифровом для этого используются два разных устройства.

Для регистрации изображения используется электронно-оптический преобразователь, а для хранения — флэш-память.

ПРИМЕЧАНИЕ
Электронно-оптический преобразователь (ЭОП) — прибор, преобразующий световой поток в электрический сигнал. Характеризуется разрешением — количеством точек по вертикали и горизонтали, а также соотношением сигнал/шум.
Флэш-память — энергонезависимая память, сохраняющая информацию после выключения питания. Характеризуется форм-фактором, емкостью (в мегабайтах), скоростью доступа и напряжением питания (как правило, 3,3 либо 5 В).

В качестве ЭОП используются два типа устройств — ПЗС-матрицы (матрицы приборов с зарядовой связью) и КМОП-матрицы. Чаще в цифровых фотокамерах используются ПЗС-матрицы.

ПРИМЕЧАНИЕ
ПЗС, прибор с зарядовой связью, — устройство, накапливающее электронный заряд при попадании на него светового потока. Уровень заряда зависит от интенсивности и продолжительности освещения. В англоязычной литературе используется определение CCD (Couple-Charged Device).

По конструкции данные устройства примерно похожи на используемые в видеокамерах матрицы, основное различие заключается в разрешении. Эта же характеристика является одной из основных при описании цифровой фотокамеры, именно дороговизна ПЗС-матриц с большим количеством элементов сдерживала развитие цифровой фотографии. И если для любительской видеокамеры достаточно матрицы из 300 тысяч элементов, то для фотографии размером 9x12 см необходимо наличие как минимум мегапиксела.

ПРИМЕЧАНИЕ
Пиксел — точка изображения, имеющая две характеристики — цвет и яркость.
Мегапиксел — миллион точек, используется как характеристика разрешающей способности ЭОП. Произведение количества точек по вертикали и горизонтали, поделенное на миллион, дает величину разрешения в мегапикселах. Например, разрешение двухмега-пиксельной матрицы — 1600x1200.

Мегапиксельные ПЗС-матрицы с разрешением 1280x960 появились в цифровых фотокамерах в конце 1997 года.

Примерно та же ситуация была и с флэш-памятью, причем с увеличением разрешения объем требуемой памяти тоже возрастал. Фирмы, не имеющие производственных мощностей для производства данных устройств, даже стали искать альтернативные методы хранения кадров, о которых будет рассказано далее. К счастью, с 1998 года стоимость флэш-памяти резко упала и продолжает снижаться.

Полевые камеры

Гораздо более распространенной категорией являются полевые камеры. Так как данные модели предназначены для эксплуатации в различных условиях освещения, а объекты съемки могут быть самыми разнообразными, крайне необходим широкий диапазон выдержки и диафрагмы, а также встроенная вспышка. Фотоаппараты этого класса работают автономно, поэтому должны обладать большими объемами памяти и низким уровнем энергопотребления. Ввиду того, что полевые камеры постоянно находятся в руках своих владельцев, в крайнем случае в сумке на плече, к этому типу техники предъявляются очень жесткие требования по массе и габаритам.

Вышеперечисленные условия накладывают определенные ограничения на конструкцию полевых фотоаппаратов, поэтому, помимо наличия собственной оптики и встроенной памяти, от студийных моделей они отличаются еще и конструкцией ПЗС-матрицы. В полевых камерах данное устройство в основном использует схему с чередованием элементов, каждый из которых регистрирует оттенки только одного из цветов. Как правило, используется комбинация R-G-B-G (red-green-blue-green, красный-зеленый-синий-зеленый). Полученное изображение подвергается обработке встроенным программным обеспечением камеры, при этом производится математический обсчет всех цветов во всех точках матрицы. Несмотря на кажущуюся сложность, данный подход позволяет получать изображения с высоким разрешением и реалистичными оттенками цветов.

Намного реже встречается схема с расщеплением светового потока на несколько ЭОП. В основном она прижилась в профессиональных камерах, обладающих крупногабаритными корпусами, способными вместить все компоненты данной схемы.

В 2002 году появилась технология, которую смело можно назвать революционной — многослойные матрицы, в которых каждый элемент (пиксел) регистрирует полную информацию о цветовом диапазоне. Достигается это за счет того, что свет с разной длиной волны проникает в материал ЭОП на разную глубину.

Применение сменной оптики и цена — вот что разделяет многочисленное семейство полевых фотокамер на две большие категории: профессиональные и любительские.

Профессиональные камеры

К началу 2003 года основной из критериев — цена составляет от 2000 долларов для профессиональных камер. Тому виной два обстоятельства.

Во-первых, категория покупателей профессиональной техники относительно немногочисленна и согласна с высокой ценой за хорошее качество. Кроме того, сменные объективы, используемые в камерах этого класса, зачастую стоят не намного дешевле самих фотоаппаратов.

Профессиональная цифровая фотокамера

Рисунок 1.3. Профессиональная цифровая фотокамера

Вторая причина повышенной стоимости — конструкция этих устройств. Фактически профессиональная камера представляет собой корпус «зеркального» пленочного фотоаппарата высокого класса (и высокой стоимости), доработанного с учетом установки электронно-оптического преобразователя (ЭОП) и устройства хранения кадров.

Большинство моделей снабжаются также цветным ЖК-дисплеем, расположенным на задней панели, — он используется для просмотра и удаления отснятых кадров, настройки камеры и т. д. Главное же конструктивное отличие данной категории — наличие байонетного разъема для сменной оптики, причем стоимость качественного объектива может в несколько раз превосходить стоимость камеры. Использование стандартной оптики накладывает также ограничение на минимальный размер ЭОП, по габаритам он должен быть максимально приближен к размерам кадра 35-мм пленки. Так как в качестве ЭОП в основном используются дорогостоящие крупногабаритные ПЗС-матрицы, общую цену камеры низкой назвать нельзя. Однако в последнее время наметилась тенденция использовать в качестве базы фотоаппараты среднего класса. Возможно, в недалеком будущем стоимость цифровой «зеркалки» опустится ниже планки в 2000 долларов.

Любительские камеры

Поскольку фотолюбителей, готовых купить камеру за 2000 долларов и выше (это без учета стоимости оптики), не так уж и много, вскоре после профессиональных моделей появились и любительские, которым и будет уделено основное внимание на страницах данной книги. В англоязычной литературе часто встречаются определения consumer cameras (буквальный перевод — потребительские камеры), а также prosumer cameras — этот термин появился сравнительно недавно и образован за счет слияния слов professional и consumer. Им обозначаются недавно появившиеся модели с высоким разрешением, большим количеством ручных настроек и сервисных функций, с возможностью установки оптических насадок и подключения внешней вспышки — в общем, со всем тем, что до недавнего времени встречалось только в профессиональных моделях. Любительская цифровая камера в отличие от профессиональной разрабатывается, что называется, «с нуля», без использования корпуса и оптики пленочных камер. Есть, правда, модели, внешним видом напоминающие широко известные 35-мм любительские камеры.

Расщепляющая световой поток призма

Рисунок 1.2. Расщепляющая световой поток призма

Поскольку в студийной технике применяются дорогостоящие ПЗС-матрицы высокого разрешения, поток информации в таких системах очень интенсивный. В описываемой же ситуации скорость передачи данных должна быть в три раза больше, чем в обычных камерах. Кроме того, разделение лучей приводит к ослаблению светового потока, что требует дополнительного освещения композиции. Необходимо также обеспечить точную калибровку всех трех ЭОП, чтобы обеспечить правильные уровни каждого из цветовых каналов. Все эти факторы привели к тому, что, несмотря на очевидные преимущества, данная схема в студийных камерах пока не стала доминирующей.

Студийные камеры

Названия фирм, производящих эту технику, не скажут ничего не только рядовому пользователю, но и профессиональному фотографу — Leaf, Phase One, Dicomed. Студийные камеры предназначены для стационарной съемки в специально отведенном для этого помещении — фотостудии.

ПРИМЕЧАНИЕ
Экспонирование— процесс освещения ЭОП, при котором создается «электронный образ» кадра.

Для студийных камер не существует ограничений ни на время экспонирования, ни (теоретически) на габариты устройства. В связи с этим данные приборы в основном представляют собой приставку к среднеформатной или крупноформатной камере, устанавливаемую вместо задней стенки аппарата. Конструктивно эти устройства можно разделить на два основных типа — сканирующие и полнокадровые. В приставках первого типа изображение формируется перемещающейся линейкой ПЗС-элементов -практически так же, как и в планшетных сканерах, при этом процесс съемки довольно продолжительный. Полнокадровые приставки способны зафиксировать кадр целиком, однако элементы матрицы могут регистрировать только яркость в той либо иной точке фотографируемого объекта, но не его цвет.

Сверху — пленочная камера Olympus n[mju ]ZOOM 115 снизу — цифровая камера Olympus C990ZOOM

Рисунок 1.5. Сверху — пленочная камера Olympus n[mju:]ZOOM 115, снизу — цифровая камера Olympus C-990ZOOM

Как и следует ожидать, на внешнем виде сходство заканчивается -даже такая, на первый взгляд, легко поддающаяся копированию часть пленочной камеры, как объектив, не годится для цифровой модели. Дело в том, что используемые в любительских цифровых фотоаппаратах ПЗС-матрицы значительно меньше тех, что применяются в профессиональных. Их размер не превышает 2/3 дюйма по диагонали, а наиболее часто встречаются матрицы с диагональю 1/2 дюйма. При этом оптика, перенесенная один в один с 35-мм камеры, дает изображение, значительно превосходящее по размерам ПЗС-матрицу. Кроме того, ЭОП обладают меньшей по сравнению с пленкой светочувствительностью, а с другой стороны, продолжительное воздействие яркого света губительно для них, что накладывает дополнительные ограничения на конструкцию затвора и светосильные характеристики оптики. Как ни прискорбно, до сих пор встречаются конструкции камер, оптика которых вызывает нехорошие воспоминания о дешевых китайских «мыльницах» с пластмассовыми линзами. Естественно, что никакие «мегапикселы» не помогут сформировать качественное изображение при эксплуатации таких моделей. В то же время появившиеся в 1998 году камеры с ЭОП на полтора миллиона элементов и хорошей светосильной оптикой до сих пор с успехом используются в достаточно сложных для съемки условиях, например при съемке в помещениях с плохой освещенностью.

Аберрации

ПРИМЕЧАНИЕ
Аберрации — искажения (от лат. aberratio — уклонение) изображения, формируемого оптической системой. Проявляются в понижении резкости изображения, нарушении подобия между объектом и его изображением (геометрические аберрации) либо окрашивании контуров изображения (хроматические аберрации).

Среди большого количества геометрических аберраций наиболее заметны кривизна поля и дисторсия.

Кривизна поля характеризуется тем, что резкое изображение плоского предмета лежит на искривленной поверхности. Вызвано это тем, что после прохождения сквозь оптическую систему световые лучи, идущие из точек, расположенных вне оптической оси объектива, сходятся в фокус не в одной плоскости. На фотографии кривизна поля проявляется в понижении резкости изображения от центра к краям. Устраняется эта аберрация подбором линз с различной кривизной поверхностей.

Дисторсией называется аберрация, при которой нарушается геометрическое подобие между объектом и его изображением. Это явление возникает в результате того, что линейное увеличение, даваемое оптической системой, изменяется по полю изображения.

у которой световое отверстие образуется

Рисунок 2.3. Диафрагма: а — f/22, б — f/8, в — f/2

Наиболее распространена ирисовая диафрагма, у которой световое отверстие образуется несколькими дугообразными лепестками (ламелями), соединенными с подвижным кольцом-коронкой. При повороте кольца лепестки сходятся (или расходятся), плавно уменьшая (или увеличивая) отверстие диафрагмы. Величина действующего отверстия диафрагмы изменяется в зависимости от условий съемки (освещенности фотографируемого объекта и чувствительности ПЗС-матрицы), а также выдержки (о ней будет рассказано далее). От величины отверстия диафрагмы зависит диапазон резко изображаемого пространства — чем меньше отверстие, тем больше глубина резкости, и наоборот.

Количественно диафрагма может быть описана относительным отверстием объектива, равным отношению диаметра входного зрачка объектива к его фокусному расстоянию. Квадрат этого числа определяет светосилу объектива. Для обозначения диафрагмы тем не менее используется так называемое диафрагменное число — величина, обратная относительному отверстию. Ряд численных значений диафрагменного числа выбирается так, что он образует геометрическую прогрессию со знаменателем, равным корню квадратному из двух (например, 1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6 и т. д.). При данной яркости объекта съемки освещенность его оптического изображения на ПЗС-матрице обратно пропорциональна квадрату диафрагменного числа, то есть чем меньше число, тем больше света попадает на матрицу. Если минимальное значение диафрагменного числа 2,8 и ниже, то объектив считается светосильным.

ПРИМЕЧАНИЕ
Выдержка— это промежуток времени, в течение которого световые лучи воздействуют на ЭОП для сообщения ему требуемой экспозиции.

Длительность выдержки должна соответствовать освещенности объекта съемки, светочувствительности ПЗС-матрицы и диаф-рагменному числу. При съемке с большой выдержкой (больше 1/60 секунды) необходим штатив, иначе изображение будет «смазанным».

ПРИМЕЧАНИЕ
Светочувствительность — это способность какого-либо материала определенным образом реагировать на оптическое излучение. Чем выше чувствительность, тем меньшее количество света требуется для реакции материала.

Количественная мера указанной способности — светочувствительное число. Указывается в единицах ISO (International Standards Organization — Международная организация стандартов). При использовании пленки с высокой чувствительностью можно вести съемку с меньшей экспозицией. Но с увеличением чувствительности фотопленки растет зернистость изображения и неоднородность негатива. К сожалению, при увеличении чувствительности цифровой камеры изображение тоже ухудшается, но об этом будет рассказано далее.

Дисторсия

Рисунок 2.6. Дисторсия

В вариообъективах дисторсия выражается в «подушкообразных» искажениях при длиннофокусном режиме и в «бочкообразных» — при широкоугольном. Для снижения дисторсии в конструкцию объективов включается асферическая оптика, то есть линзы с параболическими, эллиптическими и другими поверхностями.

Хроматические аберрации обусловлены зависимостью показателя преломления оптического стекла от длины волны проходящего через него света. В линзовых оптических системах это приводит к разложению луча белого света на несколько одноцветных лучей, которые после выхода из оптической системы пересекают оптическую ось в разных точках. Поэтому в тех случаях, когда освещенность объекта съемки и его фона сильно отличается, на стыке появляется цветовая окантовка, чаще синеватого или фиолетового оттенка, именуемая каймой (fringe). Хроматическую аберрацию уменьшают комбинированием положительных и отрицательных линз, сделанных из разных сортов стекла.

Дополнительная оптика

Порой фокусного расстояния не хватает для съемки удаленных предметов. Иногда «угол зрения» объектива не позволяет захватить фасад здания целиком. Часто требуется снять крупным планом такие миниатюрные вещи, какие обычным глазом трудно рассмотреть. Наконец, в яркий солнечный день избыток ультрафиолета мешает правильной цветопередаче. Для решения всех этих проблем используются оптические насадки.

Оптические насадки подразделяются на две основные категории — светофильтры (ограничивающие диапазон световых лучей, либо поляризующие) и конверторные насадки (изменяющие фокусное расстояние либо предназначенные для макросъемки). По способу крепления насадки подразделяются тоже на две группы.
Во-первых, это держащиеся за счет трения насадки (snap-on). Они мало распространены, так как каждая из них предназначена для строго определенной модели фотоаппаратов.

Экспозиция Диафрагма и выдержка Светочувствительность

Экспозиция. Диафрагма и выдержка. Светочувствительность

Важнейшим оптическим определением является экспозиция.

ПРИМЕЧАНИЕ
Экспозиция — это физическая величина, служащая количественной мерой световой энергии, падающей на светочувствительный элемент.

В нашем случае светочувствительным элементом является ПЗС-матрица. От экспозиции, сообщенной матрице, во многом зависит качество снимка — недостаточная экспозиция (называемая фотографами недодержкой) приводит к плохой проработке деталей в тенях, избыточная экспозиция (передержка) — к плохой проработке светлых участков. Для управления экспозицией используются диафрагма и выдержка, для расширения их диапазона применяют материалы с более высокой светочувствительностью.

ПРИМЕЧАНИЕ
Диафрагма — это устройство, посредством которого ограничивается поперечное сечение световых пучков, проходящих через объектив, для уменьшения освещенности ПЗС-матрицы. Представляет собой светонепроницаемую преграду с центральным отверстием изменяемого диаметра.

Экспозиционное число Экспокоррекция

Экспозиционное число. Экспокоррекция

ПРИМЕЧАНИЕ
Экспозиционное число — понятие, используемое для однозначной характеристики условий фотосъемки и определения экспозиции, необходимой для получения качественного кадра при заданной светочувствительности ПЗС-матрицы.

Ряд значений экспозиционных чисел образует шкалу — изменение экспозиционного числа на одну единицу соответствует изменению экспозиции в два раза. Одну и ту же экспозицию можно обеспечить при различных сочетаниях значений диафрагменного числа и выдержки, называемых экспозиционными параметрами (экспопараметрами).

Большинство фотоаппаратов не позволяют пользователю вмешиваться в процесс расчета экспозиции и работают исключительно в автоматическом режиме. При этом выбор экспопараметров зависит исключительно от логики камеры.

Для того чтобы, с одной стороны, не отпугнуть малоподготовленного пользователя, а с другой — дать ему возможность хоть как-то управлять экспозицией, подавляющее большинство фотоаппаратов снабжены функцией экспокоррекции — изменения экспозиционного числа. Экспокоррекция осуществляется пошагово (1/2 либо 1/3 от экспозиционного числа) в сторону уменьшения (затемнения кадра) либо увеличения (осветления). Диапазон регулировки, как правило, в пределах от -2 до +2 экспозиционного числа. Необходимость экспокоррекции пользователь может оценить при просмотре на цветном ЖК-дисплее камеры отснятых кадров. Следует отличать экспокоррекцию от функций осветления и затемнения уже отснятых кадров — в этом случае происходит электронное редактирование кадра, возможности которого, в отличие от экспокоррекции, значительно меньше.

Конверторные насадки

Рисунок 2.7. Конверторные насадки

Вторая группа насадок значительно популярнее — для их крепления используется внутренняя метрическая резьба стандартных размеров (от 37 до 62 мм), которая наносится на объектив. На эту резьбу и накручиваются насадки.

Иногда требуются переходные кольца (step-up rings), например когда диаметр резьбы линзы больше диаметра резьбы объектива.

Матричный замер экспозиции Точечный и центровзвешенный экспозамер Блокировка экспозиции

Матричный замер экспозиции. Точечный и центровзвешенный экспозамер. Блокировка экспозиции

Для правильного замера экспозиции недостаточно только лишь определить интенсивность светового потока, падающего на ПЗС-мат-рицу. В разных случаях сочетание освещенности объекта съемки (находящегося в центре) и его фона требует особенного подхода, реализуемого матричным замером экспозиции с использованием логики фотоаппарата. Как следует из названия, при этом замере используется матрица светочувствительных элементов, передающая в микропроцессор камеры информацию об освещенности в разных областях кадра. Используя базу данных, микропроцессор подбирает наиболее подходящие для текущего случая экспозиционные параметры.

Матрицы экспозамера а для точечного замера б для шестизонного замера в для восьмизонного замера

Рисунок 2.5. Матрицы экспозамера: а - для точечного замера, б - для шестизонного замера, в - для восьмизонного замера

Если камера оборудована многозоновым автофокусом (об этой функции будет рассказано далее), объект съемки может быть смещен от оптической оси объектива. При обсчете экспозиции в качестве опорного принимается тот элемент матрицы экспозамера, который расположен ближе всех к объекту фокусировки.

Иногда освещенность объекта съемки и его фона очень сильно различаются, например, небольшой черный объект на белом фоне. Усредненное значение экспозиции, которое выбирает при этом логика камеры (даже очень «умной»), приводит к тому, что объект съемки получается затемненным. Для получения детализированного изображения объекта экспозиционное число должно обсчитываться только по его освещенности — для этого используется точечный замер экспозиции (в англоязычной литературе используется термин spot metering). При включении этой функции экспозиция вычисляется по небольшой центральной области кадра (порядка 10 % от площади изображения).

Центровзвешенный замер является компромиссом между двумя вышеуказанными методами, и в некоторых камерах он используется в качестве основного. Этот метод обеспечивает корректное определение экспозиции объекта, в то же время освещение фона изображения учитывается правильно.

Функция блокировки экспозиции в чем-то сродни точечному замеру экспозиции — пользователь наводит камеру на объект, освещенность которого должна использоваться для определения экспозиции, и нажимает соответствующую кнопку. Автоматика фотоаппарата вычисляет экспопараметры, затем фотограф окончательно компонует кадр и нажимает на кнопку затвора. Многоточечная блокировка экспозиции по принципу действия схожа с матричным экспозамером — значения экспопараметров вычисляются не по одному, а по нескольким объектам в кадре. Правда, в данном случае выбор областей кадра производится пользователем — каждый раз нажимая кнопку блокировки экспозиции, фотограф вводит данные об освещенности опорных объектов, а затем автоматика камеры вычисляет усредненное значение экспозиции.

Методы фокусировки

Как ни странно, но ручная фокусировка на цифровых камерах встречается значительно реже, чем на пленочных. Причем чаще эта функция присутствует у полупрофессиональных моделей. Объясняется это тем, что, первые образцы любительских цифровых фотоаппаратов предназначались для людей, мало знакомых с фотографией — примерно того же контингента, что и покупатели компактных 35-мм камер. Отсюда и стремление производителей упростить работу пользователя с техникой.

Существует два основных способа фокусировки: автоматическая фокусировка и оптика со свободным фокусом. В англоязычной литературе для обозначения второго способа используется термин focus -free. Во втором случае используется такое оптическое свойство, как гиперфокалъное расстояние объектива. Это минимальное расстояние от съемочного объектива до воображаемой плоскости в пространстве, при фокусировке объектива на эту плоскость дальняя граница резко изображаемого объекта оказывается в бесконечности. Ближняя граница (то есть минимальная дистанция съемки) оказывается на расстоянии, равном половине гиперфокального расстояния. Величина эта прямо пропорциональна квадрату фокусного расстояния объектива и обратно пропорциональна его диафрагме. Стремясь уменьшить ближнюю границу съемки (хотя бы до 1,5 метров), производители используют короткофокусные объективы с максимально закрытой диафрагмой. Чаще всего такое решение встречается на дешевых «мыльницах» — пластмассовая оптика с постоянным фокусным расстоянием и ЭОП низкого разрешения не в состоянии создать приличный кадр, поэтому автофокус в этом случае является ненужной роскошью. Хотя в истории цифровой фотографии встречались камеры стоимостью около 1000 долларов, с высоким разрешением и вариообъективом со свободным фокусом, к ним относятся модели DC-200, DC-210 и DC-215 фирмы Kodak.

Для точной фокусировки применяются различные виды автофокуса.

ПРИМЕЧАНИЕ
Автофокус — система, предназначенная для фокусировки без вмешательства фотографа. Состоит из устройства контроля и сервопривода фокусировки объектива. Устройство контроля состоит из двух частей. Одна из них — сенсорный блок, измеряющий расстояние до объекта съемки либо определяющий четкость формируемого объективом изображения. Вторая часть — управляющий микропроцессор, использующий оптимальные для текущих условий алгоритмы фокусировки.

Активный автофокус использует инфракрасный либо ультразвуковой дальномер — на объект съемки посылается импульс (инфракрасный либо ультразвуковой) и, отраженный от объекта, он попадает на специальный датчик фотоаппарата. По интервалу между моментами посылки импульса и приема отраженного определяется расстояние до объекта.

Иначе работает пассивный автофокус. Если объект съемки не в фокусе и изображение «размытое», то часто расположенные линейки светочувствительных элементов освещены одинаково. Если объект в фокусе, то изображение резкое, контрастное и разница в освещенности соседних линеек достаточно велика. На основании этой информации микропроцессор автофокуса определяет дистанцию съемки. В ряде случаев интенсивности светового потока недостаточно для уверенной работы автофокуса, поэтому некоторые модели камер оснащены лампой подсветки автофокуса. Эти лампы могут подсвечивать объект съемки как в видимой, так и в инфракрасной области спектра.

Большинство камер оборудовано автофокусом с блокировкой. Этот режим используется тогда, когда объект съемки не должен находиться в центре кадра. Пользователь наполовину нажимает кнопку затвора, камера обсчитывает экспозицию и дистанцию съемки, после чего пользователь может окончательно скомпоновать кадр и дожать кнопку затвора. В иных случаях для блокировки фокуса используется отдельная кнопка, иногда она совмещается с кнопкой блокировки экспозиции.

Некоторые из камер снабжены многозвоновым автофокусом, часть из них — с возможностью ручной установки зоны фокусировки. Такая система осуществляет поиск объекта фокусировки не только вблизи оптической оси объектива, но и по краям кадра, останавливая свой выбор на наиболее контрастных либо расположенных на наименьшей дистанции объектах. Ручной выбор зоны фокусировки значительно упрощает съемку со штатива, опять-таки, когда снимаемый объект смещен от оптической оси объектива. Данный режим по своему предназначению частично пересекается с блокировкой фокуса.

Наличие многозонового автофокуса, помимо комфортности съемки, увеличивает время, необходимое автоматике камеры для точной фокусировки. Поэтому некоторые из фотоаппаратов, оборудованных многозоновым автофокусом, имеют также функцию точечной фокусировки, при которой область работы автоматики ограничивается небольшой зоной (не более 10 %) вокруг оптической оси объектива.

В некоторых случаях для получения резкого изображения от пользователя требуется указать диапазон съемки. Например, камера может обеспечивать точную фокусировку от одного метра до бесконечности, а в режиме макросъемки (фотографирования мелких объектов крупным планом) — от 0,2 до 1 м. Фотограф должен включить эту функцию с помощью соответствующей кнопки либо посредством выбора определенного пункта меню. Некоторые камеры требуют также переключения автофокуса на «бесконечность» при пейзажной съемке.

Для большего контроля в процессе съемки практически у всех полупрофессиональных моделей присутствует функция ручной фокусировки. Разумеется, что по своей реализации она сильно отличается от зеркальных камер.

Ручная фокусировка производится не механически связанным с системой линз кольцевым рычагом, а кнопками, приводящими в действие сервоприводы, которыми при автоматической фокусировке «пользуется» автофокус. При этом фотограф с помощью ЖК-дисплея определяет резкость получаемого кадра, для более точного контроля кадр отображается масштабированным в 1,5-3 раза.

Иногда применяется сильно упрощенный вариант реализации ручной фокусировки. Пользователь может установить одну из 10-20 дистанций съемки, например 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 5 метров и т. д. При этом необходимо знать истинное расстояние до объекта, поэтому успешнее всего эта функция используется при фотографировании в студии, когда можно точно измерить дистанцию съемки.

С другой стороны, личный опыт автора позволяет ему утверждать, что в 90 случаях из 100 дистанция съемки, просчитанная автоматикой камеры, будет ближе к истинной, чем определенная пользователем «на глазок». Разумеется, это не касается фотографа-профессионала, вооруженного зеркальной камерой.

Объективы с постоянным и переменным фокусным расстоянием

Чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол зрения -предметов попадает в кадр меньше, но их размер в кадре больше. И наоборот, при уменьшении фокусного расстояния объекты съемки становятся меньше, но в кадр их попадает больше.

ПРИМЕЧАНИЕ
Фокусное расстояние — величина, обратно пропорциональная углу зрения объектива и прямо пропорциональная степени приближения в кадре объекта съемки. Указывается в миллиметрах.

Разумеется, что это также сказывается и на перспективе кадра -степени удаленности объектов друг от друга. Углу зрения обычного человека в 35-мм камерах соответствует фокусное расстояние 50 мм (46°).

Часто фокусное расстояние для цифровой фотокамеры указывается двумя цифрами, например, 6-15 мм (28-72 мм). Это вызвано тем, что размер ЭОП меньше кадра обычной пленки, поэтому линейные размеры оптики тоже меньше. Для удобства восприятия вводится вторая величина, которая обозначает фокусное расстояние в эквиваленте 35-мм камеры.

Для обозначения объективов с переменным фокусным расстоянием в англоязычной литературе применяется термин zoom, часто он калькируется в русских переводах словом «зум». Это неправильно, для объективов такого типа давно существует название вариообъектив. Под кратностью объектива подразумевают отношение максимального фокусного расстояния к минимальному, например, 105/35 = 3 — кратность объектива равна 3.

Объективы, фокусное расстояние которых не изменяется, в англоязычной литературе называются fired focus. В отечественной литературе такой тип оптики обозначается как объектив с постоянным фокусным расстоянием. Постоянное фокусное расстояние несколько ограничивает возможности фотографа, в то же время конструкция таких устройств предельно проста. Поэтому такие объективы чаще всего встречаются в недорогих компактных камерах.

Оптическая подсистема

Как уже было сказано, одной из основных составляющих фотоаппарата является его объектив. Поэтому необходимо упомянуть основные термины, касающиеся оптической подсистемы фотоаппарата.

Переходные кольца

Рисунок 2.8. Переходные кольца

В некоторых случаях, например, когда объектив выдвигающийся и резьба нанесена на корпус, требуется тубусный переходник, охватывающий подвижную часть оптики.

Конверторные насадки делятся на простые линзы и насадки с фокусировкой. Их основной характеристикой является коэффициент изменения фокусного расстояния, например, при коэффициенте 0,8 (то есть использовании широкоугольной насадки) фокусное расстояние уменьшается, и вместо минимального значения 35 мм получается 28 мм. Теленасадка с коэффициентом 1,4 увеличивает фокусное расстояние, и в длиннофокусном режиме 105 мм превращаются в 147 мм

Насадки с фокусировкой предназначены для многократного (от 3 до 5 раз) увеличения фокусного расстояния, поэтому состоят из нескольких оптических элементов. Для корректной работы автофокуса камеры, как следует из названия этих изделий, требуется предварительная фокусировка вручную.

ПРИМЕЧАНИЕ
Виньетирование — частичное ограничение различными оптическими элементами наклонных по отношению к оптической оси световых лучей при их прохождении сквозь оптическую систему. Выражается в затенении краевых областей кадра и ограничении изображения кругом определенного диаметра.

При использовании насадок возникают две проблемы. Во-первых, при использовании теленасадок вариообъектив необходимо устанавливать на максимальное фокусное расстояние — при меньших значениях в большинстве случаев наблюдается виньетирование. Во-вторых, при использовании любых насадок световой поток ослабляется, то есть если не применять штатив, то требуется светосильный объектив.

Практически для всех фотокамер, объективы которых оснащены резьбой, фирмы-производители предлагают в качестве дополнительных аксессуаров минимальный набор из макролинзы, телеконвертора и широкоугольной линзы. Впрочем, есть возможность выбора из продукции специализирующихся на насадках компаний. Среди них наиболее известны НАМA, Tiffen и Raynox.

Приоритетная программная и ручная установка экспозиции Эксповилка

Приоритетная, программная и ручная установка экспозиции. Эксповилка

Существуют фотоаппараты, допускающие так называемые приоритетные режимы — пользователь устанавливает один из экспозиционных параметров (выдержку либо диафрагму) вручную, а второй из параметров вычисляется логикой фотоаппарата. При этом для достижения большой глубины резкости (при достаточной освещенности) пользователь может максимально закрыть диафрагму, а при портретной съемке, когда не требуется проработки деталей в глубину, — максимально открыть ее. А устанавливая выдержку в 1/125, можно избежать «одергивания» кадра при съемке «с рук», без штатива.

В режиме гибкой экспозиции камера предлагает фотографу серию пар «диафрагма-выдержка» (f/2,0-1/125, f/3,5-1/60 и т. д.). В этой серии уменьшение выдержки вызывает пропорциональное открытие диафрагмы, и наоборот. Пользователь может подбирать наиболее подходящие сочетания экснопараметров, например при съемке движущихся людей уменьшить выдержку, приоткрыв диафрагму.

В некоторых камерах есть режимы специальной программы, именуемые также сюжетами — ночной, пейзажный, спортивный, портретный. Эту функцию можно считать автоматизированным вариантом гибкой экспозиции. В данном случае, в зависимости от выбранной программы, встроенная логика ограничивает диапазон одного из экспопараметров и, варьируя второй параметр, подбирает правильную экспозицию. Наиболее характерен этот режим для любительских камер, логика которых не обладает достаточной «интеллектуальностью».

Для режима приоритета глубины резкости основным управляющим параметром является значение дистанции съемки, в остальном он похож на режимы специальной программы. После отработки автофокуса (или ручной фокусировки) определяется экспозиция, затем из серии возможных экспопараметров подбираются те, которые при данной дистанции съемки обеспечивают наибольшую глубину резкости.

Наиболее гибким является режим ручной установки экспозиции — пользователь устанавливает оба экспопараметра самостоятельно, основываясь на условиях съемки и собственном опыте. Некоторые виды художественной съемки возможны только в таком режиме. При этом автоматика камеры, как правило, отображает на символьном ЖК-индикаторе в долях экспочисла, насколько выбранная фотографом экспозиция отличается от рекомендуемого «интеллектом фотоаппарата» значения.

При съемке с использованием эксповилки фотоаппарат делает с минимальным интервалом несколько кадров с разным значением экспозиционного числа — диапазон и шаг при этом совпадают с соответствующими возможными значениями экспокоррек-ции. Эта функция позволяет выбрать из серии кадров наиболее подходящий по экспозиции при минимальном изменении компоновки объектов кадра (например, при съемке на природе).

Разрешающая способность оптики

ПРИМЕЧАНИЕ
Разрешающая способность оптических систем — под этой характеристикой подразумевается способность данных систем создавать раздельные изображения двух близко расположенных точек объекта. Разрешающую способность оценивают по наименьшему расстоянию между двумя точками, при котором их изображения еще не сливаются.

До недавнего момента вопрос о достаточности разрешающей способности объективов не возникал. Однако с увеличением разрешения матриц любительских камер периодически складывается ситуация, когда один и тот же сенсор, установленный на разных фотоаппаратах, «рисует» изображение с неодинаковым качеством. Особенно это характерно для сверхкомпактных моделей, к которым тяжело создать объектив с высокими оптическими характеристиками.

Система оптической стабилизации

Рисунок 2.4. Система оптической стабилизации

Конструкция данного устройства достаточно сложная, чтобы описывать ее детально, основной принцип состоит в использовании линзы, перемещающейся перпендикулярно оптической оси.

Стабилизация осуществляется как в вертикальной, так и горизонтальной плоскости. Система гироскопических сенсоров определяет как направление, так и скорость смещения. Для перемещения корректирующей линзы используется соленоид, поскольку такие приводы отличаются малыми габаритами и весом, быстрой реакцией и скромным энергопотреблением. Определение текущей позиции линзы осуществляется инфракрасными датчиками, вся работа управляется высокопроизводительным микропроцессором.

При использовании системы Image Stabilizer выдержку можно увеличивать примерно в 4 раза относительно «правила обратной пропорциональности». Например, выдержка в 1/50 может успешно применяться при фокусном расстоянии 200 мм.

Сменная оптика Зеркальные и незеркальные камеры

Сменная оптика. Зеркальные и незеркальные камеры

До определенного момента вариообъективы с кратностью больше двух были сложными в производстве и капризными в эксплуатации. Поэтому для портретной, пейзажной и спортивной съемки использовались разные объективы, каждый с наиболее подходящим фокусным расстоянием. Фотограф закреплял их на камере, используя резьбовое либо байонетное соединение (о котором будет рассказано далее). Однако с появлением надежных и недорогих вариообъективов высокой кратности (от 3 и выше), а также повсеместным внедрением электроники, обеспечивающей правильный расчет параметров съемки, широкое распространение получили компактные камеры под 35-мм пленку, оборудованные несменными объективами с переменным фокусным расстоянием. Тем не менее сменная оптика сохранилась в так называемых зеркальных камерах.

Зеркальной (SLR — single lens reflex) называется камера, в которой изображение, попадающее в объектив, с помощью специальной оптической системы проецируется на поверхность экрана фокусировки. Это изображение пользователь наблюдает в видоискателе и визуально контролирует кадрирование и фокусировку. Для точного определения дистанции съемки применяются разнообразные оптические устройства. Одним из них является микрорастр, система микроскопических пирамидок, нанесенных на поверхность экрана фокусировки.

Чтобы изображение попало на видоискатель, используется либо зеркальце, убирающееся в момент съемки, либо полупрозрачная призма.

Обе схемы имеют как достоинства, так и недостатки.
«Прыгающее зеркальце» полностью исключает потери светового потока, однако обладает более сложной и громоздкой конструкцией и может ограничивать скорость непрерывной съемки. Кроме того, при движении зеркальца камера может испытывать сотрясение, приводящее к «смазыванию» кадра. Для компенсации этого сотрясения камеры, использующие схему с «прыгающим зеркальцем», выполняются довольно увесистыми. Большинство пленочных зеркальных фотоаппаратов оснащены данной системой. Практически все они используют сменную оптику, позволяющую самым оптимальным образом подобрать объектив для разных режимов съемки.

«Призма» не имеет каких-либо движущихся частей, поэтому стопроцентно надежна и очень компактна. Однако при разделении светового потока он ослабляется, кроме того, существует опасность засветки ЭОП через окошко видоискателя. Из обычных фотоаппаратов, использующих полупрозрачную призму, наиболее известна серия IS фирмы Qlympus. Эти модели отличаются малыми габаритами и весом, имеют высокую степень автоматизации и оснащены несменной оптикой.

Незеркальные модели используют оптический видоискатель, не совмещенный с объективом. Большинство любительских компактных камер под пленку 35-мм выполняются незеркальными. По своим характеристикам любительские цифровые камеры ближе всего как раз к этому классу техники. Проблема фокусировки в таких моделях решается применением автофокусных объективов, а в наиболее дешевых — объективов со свободным фокусом.

Отличительной чертой незеркальных фотоаппаратов является эффект, именуемый параллаксом — расхождением оптических осей видоискателя и объектива. Он затрудняет кадрирование при макросъемке — фотографировании маленьких объектов с близкого расстояния. Для учета параллакса при макросъемке оптические видоискатели снабжены специальными рисками.

В цифровых камерах проблема параллакса решается использованием в качестве видоискателя цветного ЖК-дисплея, предназначенного для просмотра отснятых кадров. Кроме того, в отличие от пленочных камер с помощью дисплея может осуществляться и ручная фокусировка, правда эта функция характерна лишь для полупрофессиональных моделей.

Отдельного упоминания заслуживают модели, использующие принцип видеокамер — вместо оптического видоискателя в них установлен миниатюрный, не более 1,5 см, цветной ЖК-дисплей с хорошим разрешением — порядка 130 тысяч элементов. При этом на дисплей выводится дополнительная информация -значения диафрагмы, выдержки, количество кадров и т. д. Такое решение обусловлено, во-первых, особенностями конструкции камеры (например, когда «зрачок» оптического видоискателя просто негде расположить), а во-вторых, тем, что при съемке в солнечную погоду блики на ЖК-дисплее делают практически невозможным использование его в качестве видоискателя.

Светосила вариообъективов Системы оптической стабилизации

Светосила вариообъективов. Системы оптической стабилизации

Отличительной особенностью вариообъектива является то, что его относительное отверстие обратно пропорционально фокусному расстоянию. Иными словами, в длиннофокусном режиме сквозь объектив проходит значительно меньше света, чем в широкоугольном.

Таким образом, при телесъемке пользователь вынужден использовать большую выдержку. Высококачественные вариообъективы обладают минимальной разницей между диафрагменными числами широкоугольного и длиннофокусного режимов. Однако чем больше кратность, тем сложнее выполнить данное условие. Кроме того, при больших фокусных расстояниях наблюдается неприятный эффект.

При колебании объектива относительно его продольной оси световой поток, отраженный от объекта съемки, смещается от оптической оси, в результате кадр получается «смазанным». Чтобы избежать этого, применяется правило, согласно которому соотношение фокусного расстояния и выдержки, не вызывающей
«смазанности», обратно пропорционально. То есть при фокусном расстоянии 200-мм выдержка не должна быть больше 1/200.

Обойти это правило можно использованием штатива, что не всегда возможно, либо применением систем оптической стабилизации. Одной из наиболее удачных конструкций является Image Stabilizer, разработанная фирмой Canon.

a).

Аналогоцифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь

Получив сигнал с усилителя, его необходимо перевести в понятный микропроцессору камеры формат.

ПРИМЕЧАНИЕ
АЦП — сокращение словосочетания «аналого-цифровой преобразователь» (analog to digital converter, ADC). Устройство, преобразующее аналоговый сигнал в последовательность цифр. Основной характеристикой является разрядность — количество дискретных уровней сигнала, распознаваемых и кодируемых АЦП. Например, разрядность 8 бит обозначает, что преобразователь в состоянии определить 28 уровней сигнала и отобразить их в виде 256 различных значений.

Чем больше разрядность АЦП, тем теоретически большая глубина цвета может быть достигнута. Однако следует помнить, что разрядность АЦП должна соответствовать динамическому диапазону ПЗС-матрицы. Понятно, что при узком динамическом диапазоне АЦП с большой разрядностью просто нечего будет распознавать. На практике цветовая глубина кадра форматов JPEG либо TIFF, используемых компьютером, ограничена 24 битами (по 8 бит на каждый цветовой канал — синий, красный и зеленый). Так что применяемые в профессиональных и высококлассных любительских камерах АЦП с 10 и даже 12 битами на канал на первый взгляд обладают некоторой избыточностью. Дело в том, что динамический диапазон ЭОП в таких моделях достаточно широкий, и если фотоаппарат оборудован функцией сохранения кадра в нестандартном формате (30-36 бит), то при дальнейшей обработке на ПК есть возможность манипуляции с «лишними» битами. Пользователь может «отрезать» «нижние» либо «верхние» биты в случае передержки или недодержки, исправив таким образом ошибки экспозиции. Если же кадр был снят с правильными диафрагмой и выдержкой, то программное обеспечение в состоянии грамотно «сжать» 30-36 бит в стандартные 24. В этом случае народная мудрость, «много — не мало», абсолютно верна.

Баланс белого цвета

За исключением вышеперечисленных цветовых шумов, алгоритм ликвидации «эффекта мозаики» справляется с задачей правильной цветопередачи. Однако существуют обстоятельства, затрудняющие этот процесс.

ПРИМЕЧАНИЕ
Цветовая температура— величина, характеризующая спектральный состав излучения источника света, измеряется в Кельвинах. Чем меньше цветовая температура, тем больше красноватых тонов содержится в спектре излучения, для высокой цветовой температуры характерны синеватые оттенки.

Яркий солнечный свет воспринимается человеком как наиболее естественный. А вот свет, генерируемый лампами накаливания, более «теплый», то есть содержит больше красных тонов. В то же время флуоресцентное освещение отличается избытком синих тонов и поэтому кажется «холодным». В процессе фотографирования пользователь не замечает отклонений цветовой температуры, так как подсознательно «подстраивает» свое восприятие под условия съемки. Однако при просмотре кадров смещение цветов отчетливо проявляется — фотографии, отснятые внутри помещения, имеют уклон в сторону «теплых» либо «холодных» тонов (в зависимости от типа освещения).

Для сведения к минимуму этого негативного явления используется процедура настройки баланса белого цвета.

ПРИМЕЧАНИЕ
Баланс белого — процедура, выполняемая встроенным программным обеспечением фотоаппарата при создании файла с изображением. Заключается в приведении цветовой гаммы снимка к наиболее естественному для человеческого зрения виду.

В профессиональных камерах специальный датчик определяет среднюю длину волны света, попадающего в объектив (иногда этот датчик вынесен на переднюю стенку корпуса), и все дальнейшие расчеты цвета ведутся с учетом этого значения. В любительских камерах вычисляются средние значения для каждого из основных цветов, затем производится необходимая корректировка.

В большинстве случаев автоматика камеры справляется с расчетом цветового баланса изображения. Однако в некоторых случаях требуется определенная «подсказка» со стороны пользователя. Она заключается в том, что фотограф предварительно указывает условия съемки, а дальнейшие расчеты цветовой температуры ведутся с учетом этих данных. Наиболее распространены следующие предустановленные значения:

«Солнечно» (Sunny) — съемка на улице в ясный солнечный день. «Облачно» (Cloudy) — съемка на улице при облачной погоде (уменьшенный уровень ультрафиолетовых лучей по сравнению с предыдущим пунктом). «Лампы накаливания» (Incandescent) — съемка в помещении, освещение лампами накаливания. «Флуоресцентный свет» (Fluorescent) — съемка в помещении, освещение флуоресцентными лампами.

Альтернативным вариантом, чаще встречаемым в полупрофессиональных и профессиональных камерах, является указывание цветовой температуры освещения в Кельвинах, как правило, от 3000 до 7500 К.

Однако при смешанном освещении, например съемке в помещении, освещаемом одновременно сквозь окна солнечными лучами и с потолка лампами накаливания, даже предустановленные значения не могут помочь. В таком случае для корректной цветопередачи некоторые камеры снабжены функцией баланса белого по эталону. При использовании этой функции пользователь наводит камеру на эталон белого, в качестве которого может использоваться обычный лист бумаги, и фиксирует это значение -либо выбором соответствующего пункта меню, либо нажатием
специально выделенной кнопки камеры. Чаще всего эта функция применяется при съемке в студии, когда фотограф имеет достаточно времени на подготовку к фотографированию.

Использование вспышки позволяет выправить цветовую температуру даже без предустановленных значений цветовой температуры. Более того, при установке баланса белого по эталону использование вспышки приводит, как правило, к сильному смещению в область «холодных» тонов.

Боковой электронный дренаж

Рисунок 3.9. Боковой электронный дренаж

При боковом дренаже сток электронов осуществляется в специальные «канавки» (gates). В отличие от вертикального дренажа емкость светочувствительного элемента при этом не меняется, но зато уменьшается светочувствительная площадь пиксела. Впрочем, применение микролинз минимизирует данный негативный эффект.
Разумеется, использование дренажных устройств усложняет конструкцию ЭОП, однако вред изображению, наносимый блюмингом, значительно выше. Кроме того, без дренажа невозможна реализация электронного затвора.

Существует еще одна проблема, вызывающая появление отдельных пикселов-«паразитов», сильно отличающихся по цвету и яркости от окружающих точек. Они называются «залипшими» (stuck pixels) и возникают по причине того, что при «длинной» выдержке большой временной интервал в некоторых пикселах приводит к лавинообразному «срыву» электронов из канала и-типа в потенциальную яму. Если временной интервал, необходимый для такой «электронной лавины», перекрывает диапазон выдержек камеры, «залипшие» пикселы будут наблюдаться на каждом снимке.

Для удаления таких точек в большинстве современных камер используется специальное программное обеспечение. Его алгоритм сводится к поиску «залипших» пикселов и занесению их координат в служебную память фотоаппарата, в дальнейшем эти точки просто исключаются "из процесса формирования изображения. При поиске «залипших» пикселов величина заряда каждого элемента матрицы, генерируемого при подаче питания на сенсор, сравнивается с эталонным значением, также хранящимся в служебной памяти камеры.

Еще одно неприятное явление связано с паразитными электронами, генерируемыми в глубине кремниевой подложки и не попадающими в потенциальную яму. В процессе переноса заряда от одного элемента матрицы к другому эти электроны «размазываются» (smear), искажая изображение. В матрицах с буферизацией строк этот эффект практически незаметен, а вот в полнокадровых сенсорах для его компенсации «глубина залегания» потенциальной ямы значительно увеличивается.

Чувствительность динамический диапазон и тепловой шум

Чувствительность, динамический диапазон и тепловой шум

Чувствительность ЭОП является интегральной характеристикой и зависит от чувствительности каждого пиксела. Чувствительность пиксела в абстрактном понимании аналогична КПД (коэффициенту полезного действия), то есть представляет собой некое дробное соотношение. Знаменателем этого соотношения будет общее количество фотонов, попавших на светочувствительную область пиксела, а числителем — объем электронов, сгенерированных фотоэлементом матрицы и попавших в потенциальную яму. Таким образом, чем выше этот воображаемый КПД, тем выше чувствительность матрицы. Однако для получения качественного кадра должно выполняться еще одно условие.

Чтобы сенсор мог работать и в сумерках, и на ярком солнце, от каждого пиксела требуется довольно «емкая» потенциальная яма. Эта яма, с одной стороны, должна «удержать» минимальное количество электронов при слабой освещенности, а с другой -вместить большой заряд, получаемый при попадании на сенсор мощного светового потока. Следует помнить также, что кадр может содержать как ярко освещенные участки, так и глубокие тени, и желательно, чтобы все их оттенки отображались на сформированном сенсором изображении.

Способность накапливать электроны именуется предельным уровнем заряда (quantum efficiency), именно от этой характеристики зависит динамический диапазон сенсора.

ПРИМЕЧАНИЕ
Динамический диапазон — способность ЭОП отличать самые темные оттенки от самых светлых. Зависит от предельного уровня заряда, накапливаемого элементом ЭОП. Чем шире динамический диапазон, тем большее количество оттенков будет присутствовать на снимке.

В некоторых случаях того минимального заряда, который удержала яма, все-таки недостаточно для дальнейшей обработки. И тут в ход идет увеличение чувствительности.

В отличие от светочувствительности фотопленки, которая не может изменяться от кадра к кадру, чувствительность цифровой камеры может настраиваться индивидуально для каждого кадра. Делается это путем простого усиления сигнала на выходе с матрицы, такая процедура чем-то сродни повороту регулятора громкости радиоприемника.

Увеличение чувствительности позволяет получить нормальную экспозицию кадра в тех случаях, когда один либо другой экспо-параметр (а порой и оба) не может быть больше или меньше определенного значения. Наиболее распространенный пример — необходимость иметь большую глубины резкости (малую диафрагму) при съемке движущихся объектов («короткая» выдержка). Тем не менее применение высокой чувствительности имеет оборотные стороны.

В обычной фотографии светочувствительные пленки обладают повышенной зернистостью. В цифровой фотографии присутствует другой неприятный эффект — раскиданные по всему кадру пикселы разного цвета. Виной тому тепловой шум.

Под этим названием подразумевают паразитные заряды, которые при закрытом затворе хаотическим образом скапливаются в элементах матрицы под воздействием эффекта термогенерации электронов. При считывании сигнала они добавляются к заряду пиксела, искажая его истинное значение. Именно они являются причиной точек посторонних цветов, раскиданных по кадру.

При увеличении чувствительности, то есть усилении сигнала, идущего с матрицы, их количество значительно растет. Следуя аналогии с радиоприемником — чем выше громкость, тем сильнее шум от помех.

Кроме того, тепловой шум возрастает при больших выдержках -чем больше время экспонирования, тем больше «тепловых» электронов успевает «набиться» в потенциальную яму.

Таким образом, пользователь может испортить кадр двумя способами — либо увеличить чувствительность, либо выбрать «длинную» выдержку. Справедливости ради стоит сказать, что большое время экспонирования все-таки меньше искажает кадр, чем манипуляции с чувствительностью.

В любом случае с тепловым шумом надо бороться. И чтобы минимизировать это вредное влияние, применяется ряд мер.

Иногда проблему решают «в лоб». Чтобы уменьшить влияние термоэлектрических эффектов, используют различные схемы теплоотвода. В частности, иногда в качестве теплообменника используется металлический корпус камеры, в студийной фототехнике работают более сложные схемы. Однако этот подход не применим к любительским камерам, ограниченным по весу и габаритам.

Для определения усредненного значения теплового шума используются «черные»- пикселы —- столбцы и строки на краях матрицы, покрытые черным светофильтром. Усредненное значение заряда, снятого с «черных» пикселов, называется уровнем черного цвета. Разумеется, что при разных условиях эксплуатации (температура окружающей среды и самой камеры, ток аккумуляторов и т. д.) уровень черного цвета будет разным. Если брать его значение за «нулевую отметку», то можно определить истинный заряд «рабочих» пикселов.

Однако проблема в том, что в каждом пикселе по-разному протекают процессы термогенерации, поэтому «черные» пикселы панацеей не стали.

Для решения проблемы фотографы стали применять «народное средство» — съемку кадра при закрытом крышкой объективе. В этом случае пользователь получает на черном фоне «маску», которую можно использовать для «вычитания» теплового шума из изображения. Данный способ зарекомендовал себя настолько хорошо, что используется в качестве штатной системы шумоподавления в некоторых новых моделях любительских камер. При включении режима подавления шумов методом «темного кадра» (dark frame) камера сначала фотографирует кадр, а затем при закрытом затворе снимает «маску» с матрицы при тех же значениях чувствительности и выдержки. Конечно же, данный метод неприемлем для непрерывной съемки, однако незаменим для фотографирования при слабой освещенности.

Физический размер матрицы

Порой среди характеристик фотоаппарата выделяется физический размер ПЗС-матрицы по диагонали, указываемый в дюймах. Это напрямую связано с размерами оптической системы — чем больше размеры ПЗС-матрицы, тем крупнее должен быть кадр, формируемый объективом. Чтобы достичь этого, требуется увеличить размеры оптических элементов и фокусное расстояние. Если же ПЗС-матрица все-таки больше изображения, генерируемого объективом, то в создании кадра используются не все элементы ЭОП, периферийные области матрицы оказываются невостребованными. В профессиональных камерах, использующих стандартные объективы пленочных «зеркалок», чаще встречается обратная ситуация, когда создаваемая оптикой «картинка» меньше ЭОП. Последнее вызвано тем, что размер матрицы, как правило, меньше кадра 35-мм фотопленки. Подробнее об этом, а также о коэффициенте фокусного расстояния будет рассказано в главе, посвященной профессиональным фотоаппаратам.

Размер матрицы влияет также на ее чувствительность. Чем больше площадь каждого элемента, тем больше света попадает на него, соответственно возрастает чувствительность всего ЭОП. Особенно это заметно в профессиональных моделях, ЭОП которых традиционно отличается большими габаритами, а чувствительность достигает значений порядка ISO 6400 (!). И именно большие линейные размеры могут способствовать росту популярности КМОП-матриц.

Интерполяция пикселов SuperCCD

Интерполяция пикселов. SuperCCD

Интересно, что в некоторых случаях при перемножении количества точек по горизонтали и вертикали можно получить число, большее количества элементов ПЗС-матрицы. В данном случае имеет место обычный рекламный трюк. Когда качества матрицы не хватает на «полноценное» разрешение, оно достигается путем интерполяции точек (причем такое же «улучшение» снимка может быть достигнуто с помощью программного обеспечения для обработки изображения на компьютере). Поэтому всегда следует различать количество элементов ПЗС-матрицы и так называемое разрешение файла — о реальном качестве кадра можно судить только по первому значению.

Фирмой FujiFilm была разработана SuperCCD — ПЗС-матрица с элементами октагональной формы (в отличие от обычных, прямоугольной формы).

a).

Электроннооптические преобразователи

Электронно-оптические преобразователи

После прохождения оптики световой поток попадает на регистрирующий элемент — электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Как уже упоминалось, в основном в этих целях используются матрицы ПЗС — приборов с зарядовой связью. Несмотря на то что ЭОП на КМОП-элементах в последнее время появляются даже на профессиональных моделях, подавляющее большинство любительских фотоаппаратов оснащены именно ПЗС-матрицами. Рассмотрим подробнее конструкцию этих устройств.

Элемент ПЗСматрицы

Рисунок 3.1. Элемент ПЗС-матрицы

Для считывания заряда используются устройства, называемые регистрами сдвига, преобразующие строку зарядов на входе в последовательность импульсов на выходе. Полученный сигнал затем поступает на усилитель. Таким устройством можно считать значение строки ПЗС-элементов.

В нашем же случае требуется определить заряд каждого из элементов матрицы. При этом используется способность ПЗС к перемещению потенциальной ямы. Для этого достаточно подать больший потенциал на соседний электрод, под который должна переместиться потенциальная яма. При этом яма из-под соседнего электрода, в свою очередь, смещается под следующий электрод и так далее до регистра сдвига. Таким образом, необходимо согласовать по времени импульсы, подаваемые на электроды, а также работу регистров сдвига.

Поэтому используются два дополнительных устройства: во-первых, управляющая микросхема, обеспечивающая подачу импульсов на электроды матрицы, и во-вторых, тактовый генератор.

Одним из первых типов ЭОП были полнокадровые ПЗС-матрицы (full-frame CCD-matrix). После того как отработал затвор фотоаппарата и все пикселы накопили заряд, эквивалентный световому потоку, упавшему на них, происходит процесс считывания этих зарядов.

Микролинзы

Рисунок 3.5. Микролинзы

Эффект ослабления светового потока за счет прохождения сквозь микролинзы минимален. Значительно большей проблемой является усложненная конструкция ЭОП.

В целом полнокадровые матрицы чаще встречаются в профессиональных камерах, а матрицы с буферизацией строк — в любительских фотоаппаратах.

Электроды из поликристаллического кремния частично рассеивают свет, уменьшая тем самым чувствительность ПЗС-элементов. До недавнего времени для специализированной съемки, требующей улучшенной восприимчивости ЭОП к синей и ультрафиолетовой части спектра, применялись матрицы с обратной засветкой, в которых свет проникал со стороны подложки.

Для этого на высокопрецизионном оборудовании подложка шлифовалась до толщины 10-15 мкм. Данная стадия обработки сильно удорожала стоимость матрицы, кроме того, устройства получались очень хрупкими и требовали повышенной осторожности при сборке и эксплуатации. При размещении светофильтров над индивидуальными ячейками ЭОП все действия по увеличению чувствительности теряют смысл, поэтому матрицы с обратной засветкой применяются в студийных камерах, использующих сменные светофильтры.

Рисунок 3.6. Матрица с обратной засветкой

Многослойные матрицы

В феврале 2002 года фирма Foveon объявила о создании сенсора принципиально нового типа. Его появление должно стать таким же технологическим прорывом, каким в свое время стала разра-Зотка ПЗС-матриц с маской Байера, так как в новой КМОП-мат-эице Foveon X3 светофильтры не используются в принципе.

Разделение светового потока на составляющие оттенки происходит за счет того, что свет с разной длиной волны проникает в слой кремния на разную глубину. Например, «синие волны» обладают наименьшей проникающей способностью, а «красные» -наибольшей. В сенсоре Foveon фотоэлемент каждого пиксела состоит из трех слоев.

Общие принципы

Для того чтобы досконально понять, каким образом свет преобразовывается в электрический заряд, необходимо вспомнить раздел «Полупроводниковые приборы» школьного курса физики, точнее — р-n -переход. Однако тема эта слишком объемна, чтобы рассматривать ее в рамках данной книги. Вкратце принцип устройства и функционирования ПЗС-матриц сводится к следующему.

В кремниевой подложке р-типа создаются каналы из полупроводника n-типа. Сверху наносится изолирующий слой окиси кремния. Над каналами размещаются электроды из поликристаллического кремния. При подаче электрического потенциала на электрод в обедненной зоне под каналом n-типа образуется так называемая потенциальная яма, которая способна хранить электроны. После попадания фотона на поверхность n-канала последний генерирует электрон, который хранится в потенциальной яме. Чем больше фотонов попадает на поверхность, тем выше накапливаемый заряд. Чем больше электронов может накопить потенциальная яма, тем больший диапазон освещенности можно зафиксировать, и от этого, в конечном итоге, зависит динамический диапазон (о нем более подробно будет рассказано ниже). Все, что требуется сделать, — считать значение этого заряда и усилить его.

Основные производители

В процессе эволюции разрешение цифровых фотокамер увеличилось в несколько раз. Поэтому большое количество производителей ЭОП, изделия которых использовались в ранних моделях фотоаппаратов, в итоге сильно сократилось. Кроме увеличения азрешения на процесс «естественного отбора» влияли и другие причины. Помимо уже рассмотренных характеристик (динамический диапазон, соотношение сигнал/шум и т. д.), для проектировщиков камеры важны также уровень энергопотребления ЭОП и совместимость с существующей элементной базой, а для производителя сенсора — процент брака и себестоимость устройств.

На рубеже тысячелетия можно было выделить двух крупнейших производителей ПЗС-матриц для профессиональной и студийной техники — Eastman Kodak в США и Philips в Европе.

Заслугой разработчиков Kodak является внедрение бокового антиблюмингового дренажа в полнокадровых матрицах, позволившего значительно увеличить динамический диапазон ЭОП по сравнению с сенсорами, в которых был применен вертикальный дренаж. В матрицах, изготовленных по технологии BluePlus, электрод, расположенный над светочувствительной областью пиксела, изготавливался на основе оксида индия и диоксида олова. За счет этого значительно повышался коэффициент пропускания электрода, в итоге резко выросла чувствительность сенсора, особенно в традиционно «трудных» для ЭОП «синей» и «фиолетовой» областях спектра.

Всю продукцию Kodak можно разделить на три большие категории:

ПЗС-матрицы для студийной и профессиональной техники; ПЗС-линейки для студийных сканирующих приставок к крупноформатным фотоаппаратам; ПЗС-матрицы и КМОП-сенсоры для любительских фотокамер.

Сенсоры для любительских моделей используются, за редким исключением, только в фотоаппаратах Kodak. Зато матрицы, предназначенные для студийных камер, применяются практически всеми производителями этой категории. Последняя разработка фирмы — сенсор с разрешением 22 мегапиксела.

Голландским концерном Philips была сделана попытка минимизировать себестоимость ПЗС-матриц с помощью оригинальной технологии Building Block. При обычном производстве ПЗС-матрица высокого разрешения изготавливается единым блоком и при браке потери велики. Кроме того, максимальный размер ЭОП ограничивается возможностями оборудования. В противоположность этому, методика Building Block (буквально — кирпичи), разработанная Philips, основана на использовании «кирпичиков», состоящих из модулей размером 1000x1000 пикселов. Объединяя данные «кирпичики», можно построить сенсор практически неограниченного разрешения. При этом в случае обнаружения дефекта в одном из модулей его можно легко заменить. Таким образом, себестоимость изделия значительно ниже.

Наибольшей популярностью пользовалась шестимегапиксель-ная матрица FTF 3020 (36x24 мм), применявшаяся в большинстве моделей студийных камер. Из новых сенсоров перспективным считается 11-мегапиксельный ЭОП, тоже созданный по технологии Building Block. Его мегапиксельные «кирпичики» по габаритам меньше прежних модулей, поэтому размеры новой матрицы такие же, как и у шестимегапиксельной модели. Благодаря этому студийные фотоаппараты, использовавшие FTF 3020, легко могут быть оборудованы новым сенсором.

Как было замечено выше, основной особенностью матриц Fuji-Film являются нестандартная форма и расположение элементов, в то же время реальных плюсов данные решения не продемонстрировали. В результате матрицы этой фирмы применяются только в фотоаппаратах FujiFilm, хотя ассортимент сенсоров довольно широк и включает в себя разработки для профессиональной техники.

Корпорация Sony с самого начала ориентировалась исключительно на рынок массовой техники. При этом разработчикам данной фирмы удалось внедрить ряд решений, благодаря которым качество кадров значительно улучшилось.

Одной из основных инноваций была технология HAD — Hole-Accumulation Diode. В матрицах HAD носителями информации о заряде пиксела были не электроны, а так называемые «дырки». При этом отпадала необходимость в полисиликоновом электроде над светочувствительной частью пиксела и значительно увеличивалась чувствительность сенсора, особенно в коротковолновой части спектра. Кроме того, размещение поглощающего «дырки» слоя у поверхности матрицы уменьшало тепловой шум.

При максимально открытой диафрагме растет процент лучей, падающих на поверхность матрицы под большими углами. После прохождения через микролинзы обычной конструкции эти лучи, как правило, не попадали на светочувствительный элемент. Чтобы уловить максимальное количество света, попадающего на микролинзу, разработчики Sony в матрице New Structure CCD использовали дополнительный оптический элемент. Расположенная непосредственно над светочувствительным элементом внутренняя линза корректировала лучи, входящие под большими углами.

Ассортимент ПЗС-матриц Sony очень велик, причем с увеличением разрешения размер и интерфейсные разъемы сенсора не изменяются, что позволяет при разработке нового фотоаппарата использовать прежнюю оптику и корпус.

С появлением в модельном ряде матрицы ICX413 Sony заняла соответствующую нишу на рынке профессиональных камер. При диагонали 28,4 мм размеры, сенсора (23,4x15,6 мм) соответствуют кадру пленки формата APS, поэтому он идеально подходит для использования в моделях, создаваемых на базе пленочных «зеркалок». В результате эту шестимегапиксель-ную матрицу выбрал Nikon для своей профессиональной модели D-100.

Значительных успехов в разработке КМОП-матриц для профессиональных камер добился концерн Canon. Размер сенсора был увеличен до габаритов кадра APS, в результате возросло отношение светочувствительной части пиксела к «обвязке» и, как следствие, значительно поднялась чувствительность.

Кроме того, в состав компонентов каждого пиксела был включен своеобразный «фильтр», который замерял уровень электронного шума, генерируемого «обвязкой» в нерабочем состоянии. При съемке «фильтр» каждого элемента автоматически «вычитал» этот шум из сигнала, в результате влияние неравномерно распределенных по матрице электронных помех удалось снизить.

Лидирующие позиции в области разработки КМОП-матриц занимает белый искал фирма Fill Factory. Она была основана в 1999 году, но разработками КМОП-матриц занималась еще с 1987 года, будучи подразделением ШЕС, Европейского независимого центра микроэлектронных технологий. В итоге в стенах FillFactory появился ряд интересных и эффективных решений, улучшивших показатели КМОП-сенсоров.

В первую очередь удалось значительно увеличить светочувствительную область пиксела. В обычных КМОП-матрицах фотоны «выбивают» электроны на всей поверхности пиксела. Только вот эти «фотоэлектроны» (термин ненаучный, но иногда в оптоэлек-тронике применяемый) притягиваются либо «обвязкой» (расположенной, кстати, на поверхности матрицы), либо подложкой сенсора. Поэтому «фотоэлектроны», генерируемые поверхностью вокруг фотоэлемента (а это более 70 % всей площади пиксела), в процессе создания заряда никоим образом не участвуют.

Специалисты FillFactory предложили простое и гениальное решение. Благодаря генерируемому электростатическому барьеру «фотоэлектроны», генерируемые под «обвязкой», не поглощаются ни «обвязкой», ни подложкой, а «всасываются» потенциальной ямой фотоэлемента. Процесс «всасывания» не столь уж и длителен (от 10 до 50 наносекунд), поэтому тепловой шум (обычно заметен при «длинных» выдержках на всех типах сенсоров) практически отсутствует. А вот чувствительность сенсора возрастает в несколько раз, при этом нет необходимости использовать матрицы больших габаритов. Следовательно, данная технология может быть использована и в любительской технике.

Динамический диапазон КМОП-сенсора можно расширить, используя еще одну из наработок FillFactory — нелинейный режим накопления заряда. В этом режиме в «обвязку» пиксела добавлены элементы, которые при достижении определенного уровня заряда в потенциальной яме переключают пиксел в состояние «насыщения». В этом состоянии «фотоэлектроны» накапливаются в потенциальной яме менее интенсивно, уменьшая риск ее переполнения.

Благодаря данной методике происходит адаптивное сжатие динамического диапазона кадра — светлые участки не выглядят «засвеченными», а темные — «недодержанными». Кроме того, не нужна большая разрядность АЦП, сокращается также размер кадров.

Разработанные FillFactory КМОП-сенсоры нашли свое применение как в студийных (Leaf C-Most, Leaf Valeo), так и в профессиональных (Kodak DCS Pro 14n) фотоаппаратах. Возможно, что в недалеком будущем КМОП-матрицы этой фирмы будут использоваться и в любительской технике.

Процесс обработки кадра в матрице SuperCCD

Рисунок 3.15. Процесс обработки кадра в матрице SuperCCD

Поскольку в файле точки располагаться так не могут, требовалось программно «развернуть» каждый такой квадрат. В результате этой операции за счет дополнительных горизонтальных и вертикальных строк, образуемых точками в левом/правом и верхнем/нижнем углах квадрата, количество точек изображения удваивалось. После этого компанией FujiFilm была проведена обширная рекламная кампания, в процессе которой провозглашалось, что переход на новую матрицу позволит получать изображения со вдвое более высоким разрешением. Однако, поскольку дополнительные пикселы образуются на основе интерполяции, с таким же уcпехом подобная операция может быть проведена и с обычной матрицей.

Возможна лишь единственная ситуация, при которой разрешение SuperCCD будет реально больше. Для этого изображение снимаемого объекта после прохождения через оптическую систему должно быть меньше расстояния между строками ЭОП, которое, как уже было сказано выше, составляет не более 30 % площади пиксела. При этом изображение должно попадать как раз между строками, то есть состоять из строго вертикальных и горизонтальных линий. В этом случае матрица FujiFilm за счет расположения элементов может «уловить» промежуточные линии. Большинство тестовых изображений, рассчитанных на измерение разрешения камер, состоит как раз из таких линий, поэтому ожидаемый эффект наблюдался.

В то же время если это же изображение будет ориентировано по диагонали, то обычная матрица его «увидит», а вот SuperCCD «пропустит». Причем большинство реальных объектов содержит как раз наклонные детали. Но человеческое зрение в первую очередь выделяет вертикальные и горизонтальные линии, именно на эту особенность восприятия и было ориентировано расположение пикселов SuperCCD.

В определенном смысле качество кадра улучшалось — в первую очередь, за счет большего размера элементов реально возросла чувствительность. Фирмой FujiFilm анонсировалась модель FinePix 4700 с разрешением файла 4,7 мегапиксела, при этом разрешение SuperCCD матрицы составляло 2,3 мегапиксела. Возникновение этой модели было своевременным, поскольку остальные производители задерживались с выпуском настоящих трехмега-пиксельных камер. С появлением фотоаппаратов с ПЗС-матри-цей из трех мегапикселов стало возможным сравнить получаемые кадры. Выяснилось, что улучшение реальных, а не тестовых изображений по сравнению с «обычной» ПЗС-матрицей того же разрешения составляет 20-30 %, в то время как трехмегапиксель-ные камеры обеспечивали рост качества любых изображений в полтора раза. В общем, какими бы ни были форма и размещение элементов матрицы, ее настоящее разрешение зависит только от количества пикселов.

К концу 2001 года Fuji анонсировала SuperCCD третьего поколения. К отличительным особенностям этой матрицы относится возможность суммировать заряды четырех соседних пикселов одного цвета и за счет этого увеличивать чувствительность. Разумеется, что при этом разрешение кадра уменьшается в два раза как по вертикали, так и по горизонтали.

Прочие виды помех

Если количество электронов, образованных падающими на поверхность светочувствительного элемента фотонами, превышает максимальную «емкость» пиксела, заряд начинает «растекаться» по соседним элементам. При этом на фотографии наблюдаются белые пятна правильной формы, размер которых зависит от степени «засветки». Данное явление в оптоэлектронике называется блюминг (от английского blooming — размывание).

Для предотвращения блюминга используется так называемый электронный дренаж (drain), обеспечивающий отвод избыточных электронов. По методу реализации различают вертикальный и боковой дренаж — Vertical Overflow Drain (VOD), Lateral Overflow Drain (LOD).

ПЗС или КМОП?

В КМОП-матрицах преобразование фотонов в заряд происходит таким же, как и в ПЗС-матрицах, образом. Отличие заключается в том, что преобразование заряда в напряжение осуществляется прямо внутри элемента матрицы.

ПРИМЕЧАНИЕ
КМОП — аббревиатура, обозначающая технологию производства микросхем — «комплиментарных структур метал-оксид-полупро-водник» (CMOS — complementary metal oxide semiconductor). Подавляющее большинство микроэлектронных компонентов производятся поданной технологии.

Для синхронизации работы, а также для передачи полученных сигналов используются адресные шины столбцов и строк матрицы. При этом возможно считывание всей матрицы, столбца либо строки и даже отдельного элемента. Более того, отпадает необходимость в регистрах сдвига и управляющих микросхемах. Значительно сокращается также и энергопотребление.

В то время как процесс изготовления ЭОП на основе ПЗС достаточно сложен и требует специализированного оборудования, технология производства КМОП-матриц широко распространена. Практически любой завод радиоэлектронных изделий может в кратчайшие сроки наладить выпуск ЭОП такого типа. Этим определяется невысокая стоимость КМОП-сенсоров.

С момента появления КМОП-матрицы декларируются «наиболее перспективными ЭОП», однако ряд недостатков не позволяют этим устройствам полностью вытеснить ПЗС-сенсоры.

Во-первых, в каждом из элементов матрицы присутствуют преобразователь заряд-напряжение и компоненты, предназначенные для считывания напряжения. Как любые электронные устройства, эта «обвязка» при обработке сигнала добавляет к нему помехи, именуемые электронным шумом. Причем для каждого пиксела матрицы уровень электронного шума разный.

Второй минус КМОП-сенсоров вызван тем, что «обвязка» размещается вокруг пиксела, что приводит к маттой площади светочувствительного элемента, даже по сравнению с ПЗС-матрица-ми с буферизацией строк. Следствием этого является низкая чувствительность ЭОП данного типа.

Для борьбы с электронным шумом применяется технология «активных пикселов». В матрицах, использующих эту технологию, напряжение, полученное после преобразования заряда, подается на вход усилителя, встроенного в каждый пиксел. Так снижается влияние электронного шума, подмешиваемого той частью «обвязки», которая отвечает за считывание сигнала.

Но при этом общее усложнение сенсора приводит к росту себестоимости и увеличению доли брака в производстве. Кроме того, сокращается и без того малая площадь светочувствительного элемента.

Для увеличения чувствительности, как и в ПЗС-сенсорах с буферизацией строк, применяются микролинзы. Кроме того, непрерывно ведутся разработки по уменьшению размеров дополнительных компонентов.

Совокупность показателей КМОП-сенсоров является причиной того, что в любительских камерах они чаще встречаются в технике начального уровня — с невысоким разрешением, простой оптикой и, разумеется, привлекательной для покупателя ценой.

Основного успеха сенсоры данного типа достигли в профессиональных фотоаппаратах и студийных камерах. В этой технике используются матрицы с большими габаритами, поэтому площадь светочувствительных элементов значительно больше размеров «обвязки» каждого пиксела. Благодаря этому достигается высокая чувствительность сенсора. А чтобы расширить динамический диапазон, применяется ряд мер по уменьшению уровня электронного шума.

В целом, несмотря на стремительное завоевание КМОП-матри-цами популярности среди профессиональной и студийной техники, вряд ли стоит надеяться на скорое исчезновение ПЗС-сенсоров из любительских фотокамер.

Расчет цвета в ПЗСматрицах Искажения цвета

Расчет цвета в ПЗС-матрицах. Искажения цвета

Основные цвета аддитивного синтеза — цвета излучений. В трехцветном (RGB) аддитивном синтезе используются синий (blue — В), зеленый (green — G) и красный (red — R) цвета.

ПРИМЕЧАНИЕ
Основные цвета — цвета оптических излучений или красителей, используемые для создания цветных изображений. Различают основные цвета аддитивного и субтрактивного синтеза, то есть со сложением и вычитанием цветов.

Такие основные цвета являются линейно независимыми, так как ни один из них не может быть получен оптическим смешением излучений двух других. Оптическим смешением синтезируют множество цветов, различающихся по цветовому тону, насыщенности и светлоте.

В субтрактивном синтезе используются цвета красителей. В качестве основных фигурируют желтый (yellow — Y), пурпурный (magenta — М) и голубой (cyan — С). Основной цвет субтрак-тивного синтеза называется дополнительным к основному цвету аддитивного синтеза, если красителем первого практически полностью поглощается излучение второго. Например, желтый цвет является дополнительным к синему, пурпурный — к зеленому, голубой — к красному.

Аддитивный синтез является «родным» для компьютерных устройств, в первую очередь, для монитора. В нем изображение создается тремя лучами (RGB). А вот принтеры пользуются субтрактивным синтезом, причем в дополнение к CMY-цветам используется также черный, обозначаемый литерой К — blасk. Добавление черного цвета вызвано тем, что избыток основных красителей, вызываемый необходимостью передать темные тона, может привести к разбуханию бумаги.

Следует помнить, что диапазон цветов, отображаемых с помощью цветовой модели CMY, меньше, чем множество цветов, генерируемых RGB-синтезом. Тем не менее для формирования светофильтров в ходу обе модели.

Напомню, как формируется изображение с использованием так называемой Байеровской схемы размещения элементов. Поскольку ПЗС-элементы способны регистрировать яркость, но не цвет, перед каждым из них устанавливается светофильтр, ограничивающий диапазон цветовых оттенков. Байеровская схема использует чередование R-G-B-G (красный-зеленый-синий-зеленый).

Расположение фотоэлементов и регистров сдвига а — в обычной матрице b— в матрице SuperCCD

Рисунок 3.14. Расположение фотоэлементов и регистров сдвига: а — в обычной матрице, b— в матрице SuperCCD

При этом каждые четыре пиксела (два зеленых, синий и красный ) располагались как бы внутри квадрата, развернутого на 45°. Количество горизонтальных строк определялось пикселами в верхнем и нижнем углах квадрата, количество вертикальных -элементами в левом и правом углах.

Расположение светофильтров в Байеровской схеме

Рисунок 3.10. Расположение светофильтров в Байеровской схеме

Дополнительные «зеленые» элементы служат для вычисления яркости и контрастности изображения, это объясняется восприимчивостью человеческого зрения именно к этому цвету.

В результате получается три «мозаики» — по одной для каждого из цветовых каналов. Сложив их вместе, получаем четвертую «мозаику».

Для ликвидации «эффекта мозаики» используется алгоритм, основная суть которого сводится к следующему. Например, там, где установлен пиксел с зеленым светофильтром, мы точно знаем только о яркости зеленого цвета.

Но в соседних восьми точках известны значения как зеленого, так и синего и красного цветов, поэтому возможно определить их среднее значение и для нашего пиксела. Сложив их вместе, получаем значение исходного цвета в данной точке.
Регулярная структура размещения элементов в некоторых случаях приводит к появлению муара. Возможность появления данного искажения зависит от сложности алгоритма, ответственного за расчет цвета. Если при расчете каждой точки учитываются не только соседние пикселы, но и элементы, расположенные на расстоянии 10 и более точек, вероятность возникновения муара очень мала. В идеале для расчета каждой точки желательно использовать информацию обо всех элементах матрицы данного цвета. Разумеется, что для таких интенсивных расчетов требуются высокопроизводительные микропроцессоры и большие объемы ОЗУ.

Следует отметить также, что некоторые производители фотоаппаратов используют схемы CMY (голубой-пурпурный-желтый) и CMYG (голубой-пурпурный-желтый-зеленый).

Расположение светофильтров в субтрактивной Байеровской схеме

Рисунок 3.13. Расположение светофильтров в субтрактивной Байеровской схеме

Избыток зеленого, как и в случае со схемой RGBG, вызван необходимостью точного расчета контрастности. Чтобы понять причины появления этих альтернативных схем, необходимо вспомнить, каким образом создаются светофильтры над пикселами. Тонкие пленки, наносимые на элементы матрицы, образуются CMY-красителями. Например, красный — комбинация пурпурного и желтого красителей, синий — пурпурного и голубого, зеленый — желтого и голубого. Используя только один слой красителя вместо двух, можно улучшить светопроницаемость светофильтра и повысить чувствительность матрицы. Основное препятствие на пути распространения схем CMY и CMYG -некоторая сложность расчета цвета. Достаточно вспомнить диапазон цветов, генерируемых аддитивным и субтрактивным синтезами, — с помощью модели RGB оттенков генерируется больше, то есть производители сознательно уменьшают диапазон воспроизводимых цветов.

Структура матрицы Foveon ХЗ

Рисунок 3.16. Структура матрицы Foveon ХЗ

Толщина этих слоев рассчитана так, что они пропускают лучи : определенной длиной волны. При этом к самому нижнему слою «пробиваются» фотоны с «красной» длиной волны, в среднем «увязают» «зеленые» фотоны, а в самом верхнем — «синие». Образующиеся при этом электроны и «дырки» накапливаются в трех потенциальных ямах — по одной на каждый слой. Таким образом, для любого из пикселов матрицы есть данные по каждому из цветовых диапазонов. Это позволяет отказаться от схемы Байера и связанных с ней потерь данных о цвете.

Но как у каждой новой технологии, у этой схемы есть ряд побочных эффектов. Вот лишь некоторые из них.

Ранее было описано негативное влияние блюминга на качество кадра, а также сложности, возникающие при нейтрализации этого эффекта. В многослойных матрицах блюминг становится «трехмерным» — избыточный заряд может перетекать не только в соседние пикселы, но и в «чужие» слои. При этом вертикальный электронный дренаж практически невозможен, а реализовать боковой дренаж крайне сложно.

При съемке с максимально открытой диафрагмой увеличивается процент лучей, падающих на поверхность сенсора под большим углом. Для обычных матриц это не проблема, просто лучи иногда не попадают на светочувствительную поверхность сенсора. А вот в многослойных ЭОП преломление света на стыке слоев матрицы может привести к проникновению фотонов в «Чужой» слой.

Следует помнить, что при распределении фотонов по слоям часть их неизбежно будет поглощена при переходе из одного слоя в другой. В результате чувствительность матрицы ослабляется.

Однако предположим, что разработчикам каким-то образом удалось разрешить все вышеперечисленные проблемы. Означает ли это, что многослойные матрицы при этом раз и навсегда заменят сенсоры «классической» конструкции? Вряд ли.

При одинаковом разрешении и равных физических габаритах потенциальные ямы пикселов матриц, построенных по Байеров-ской схеме, всегда будут «глубже», чем у «слоеных» сенсоров. Соответственно, шире будет и динамический диапазон. Человеческий глаз устроен таким образом, что яркость для него важнее, чем цвет. И если кадр идеален по цветопередаче, но все освещенные участки представляют собой белые пятна, а тени — черные, то такое изображение никто не назовет удачным снимком — ни профессионал, ни любитель.

Вертикальный электронный дренаж

Рисунок 3.8. Вертикальный электронный дренаж

Вертикальный дренаж осуществляется подачей потенциала на подложку ЭОП, причем его значение подбирается так, чтобы при достижении уровня переполнения «лишние» электроны стекали через подложку из потенциальной ямы. Побочным эффектом является уменьшение емкости потенциальной ямы и, как следствие, уменьшение динамического диапазона светочувствительного элемента. Кроме того, данная система неприменима в матрицах с обратной засветкой.