Фотоматрица
Фотосенсор, или светочувствительная ма́трица — специализированная аналоговая интегральная микросхема. Предназначена для преобразования спроецированного на неё оптического изображения в электрический сигнал и считывания этого электрического сигнала.
Интегральная микросхема «Фотосенсор» содержит в себе растровую матрицу из светочувствительных фотодиодов на основе оксида кремния и электронную схему считывания и оцифровки аналогового потенциала (CCD) или схему развёртки(CMOS). Дополнительно каждый пиксель, обычно, накрыт микролинзой и цветным фильтром, для обеспечения лучшего соотншения сигнал шум и распознавания цветов на изображении.
Фотосенсор (матрица) является основным элементом цифровых фотоаппаратов, современных видео- и телевизионных камер, фотокамер встроенных в мобильный телефон.
Фотосенсоры также применяются в оптических детекторах перемещения компьютерных мышей.
Эксплуатационные характеристики матриц
- Количество пикселей. Измеряется в мегапикселях, (миллионах пикселей). Колеблется от 0,1 Мп (камеры в мобильных телефонах) до 16Мп (Canon EOS-1Ds Mark II) и более (цифровые задники для среднеформатных фотоаппаратов «Hasselblad»).
Разрешение стандартных матриц компактных цифровых фотокамер в настоящее время колеблется в районе 6-10 Мп.
- Соотношение сигнал/шум.
Шумы матриц зависят от многих факторов, в основном физического размера одного пикселя, полезной площади приходящейся на микролинзы и т.д.
Термин "чувствительность" может применяться к матрицам с оговоркой, так как путём усиления сигнала и цифровой постобработки можно получить практически любое значение чувствительности.
Типичные значения чувствительности для компактных цифровых фотоаппаратов расширилась в диапазоне 80-1600 единиц ISO. У зеркальных фотоаппаратов чувствительность настраивается в диапазоне ISO100—1600. Иногда возможны значения 50 ISO, 3200 и даже 6400 ISO.
Технологические характеристики матриц
CCD-матрицы (по-русски ПЗС — приборы с зарядовой связью) выпускаются и активно используются компаниями Nikon,Canon, Sony, Fuji, Kodak, Matsushita, Philips и многими другими.
Название ПЗС — прибор с зарядовой связью — отражает способ считывания электрического потенциала методом сдвига заряда от фотодетектора к фотодетектору.
CMOS-матрицы (по-русски КМОП — комплементарная структура «металл-оксид-полупроводник») получают всё большее распространение в сегменте недорогих и среднеуровневых решений компаний Canon, Matsushita, Sony.
В КМОП-матрицах внутренний фотоэффект протекает так же, как и в ПЗС-матрицах. В отличие от ПЗС-матриц, КМОП-матрицы более интеллектуальны, так как помимо сбора информации с фотоэлементов и ее переноса, они могут производить обработку изображений, выделение контуров, могут на месте понижать уровень шумов снятого изображения, а также производить преобразование аналог-код. Все эти функции в ПЗС-матрицах выполняются дополнительными схемотехническими решениями (регистры сдвига, управляющие микросхемы, аналого-цифровой преобразователь и пр.), из-за чего принято считать ПЗС-матрицы более энергоемкими, чем КМОП-матрицы. Кроме того, КМОП-матрицы могут быть запрограммированы на различные алгоритмы улучшения отснятого материала, как обычные процессоры, что позволяет делать КМОП-матрицы весьма гибкими и интеллектуальными.
В матрицах X3 компании Foveon для цветоделения фильтры Байера не используются. Название сенсора «Х3» означает его «трёхмерность». Фотодетекторы матрицы Foveon X3 расположены в три слоя — синий, зелёный, красный.
Получение цветного изображения
.Подробнее см. «RGBW сенсоры»
Новый CFA сенсор компании Kodak, где в ячеки RGB с фильтрами добавлены фотодиоды без светофильтра-откуда пошло RGBW. Это позволит повысить светосилу сенсора, что важно при съемках в условиях с малой освещенностью и применять их в первую очередь в видео камерах,сотовых телефонах, малогабаритных цифровых фотоаппаратах.
Трехматричные системы
Системы, в которых свет разбивается на три потока полупрозрачными зеркалами, каждый из которых проходит светофильтр и попадает на соответствующую матрицу ага
Многослойная матрица типа Foveon X3
Физический размер матрицы
Обычно в качестве характеристик физических размера матриц указываются размер матрицы по диагонали и соотношение сторон.
Физические размер матриц колеблются от нескольких мм до единиц сантиметров по диагонали. Обычно размер матрицы указывается в виде длины диагонали в долях дюйма (1/1,8", 1/2,2"). Следует помнить, что этот размер указывает не непосредственно на диагональ матрицы, а на диаметр всей микросъемы, в которую вписана матрица. Реальная диагональ матрицы при этом примерно равна 2/3 от указанной. См. подробней. (англ.)
Два наиболее часто встречающихся стандарта для соотношения сторон - это 4:3 и 3:2. Первый применяется в любительских цифровых фотоаппаратах ("мыльницах"), второй - в зеркальных.
Наиболее часто встречающиеся типоразмеры матриц:
- 1/1,8", соотношение сторон 4:3
Матрицы размера 1/1,8", то есть 5,32×7,18 мм используются в большинстве компактных камер с несменной оптикой. Благодаря небольшим линейным размерам матрицы объективы таких камер имеют очень небольшие размеры, однако такие матрицы, как правило, страдают от большого уровня шумов и малого динамического диапазона.
- 2/3", соотношение сторон 4:3
Матрицы размера 2/3", то есть 6,6×8,8 мм иногда используются в дорогих компактных камерах с несменной оптикой.
- 4/3", соотношение сторон 4:3
Матрицы размера 4/3", то есть 13,5×18 мм
Стандарт 4/3 разработан компаниями Olympus, Кодак и несколькими другими. Преследовались цели снижения стоимости производства, веса камер и объективов. Сейчас (2007) камеры с матрицами такого формата производят фирмы Олимпус и Панасоник.
- DX, APS-C формат, около 18×24 мм, соотношение сторон 3:2
Матрицы таких размеров наиболее часто встречаются в цифровых зеркальных фотоаппаратах. Они соответствуют «полукадру» 35 мм кадра, то есть их линейные размеры в 1,5-1,6-1,7 раза меньше 35 мм кадра (3:2).
Подавляющее большинство любительских, полупрофессиональных и даже профессиональных камер используют матрицы такого размера в силу того, что они относительно дёшевы в производстве и при этом размер пиксела остаётся довольно большим даже при 10 Мп разрешении.
- APS-H формат, 27×18 мм, соотношение сторон 3:2
Матрица с линейными размерами в 1,3 раза меньшими, чем у 35 мм кадра (3×2). Чуть менее дороги, чем полнокадровые.
- Полнокадровая матрица формата 36×24 мм, соотношение сторон 3:2
Полнокадровая матрица, по размерам (36×24 мм) соответствующая классическому 35 мм кадру (3:2). На рынке представлено всего несколько моделей фотоаппаратов с матрицей такого размера (фирмой Canon и Kodak). Такие матрицы дороги и сложны в производстве.
- Среднеформатная матрица формата 60×45 мм, соотношение сторон 3:2
Матрицы таких размеров «сшиваются» из матриц меньшего размера, что сказывается на их стоимости. Применяются в крайне дорогих камерах.
Эффективное фокусное расстояние объектива и кроп-фактор матрицы
Размеры матриц большинства цифровых фотоаппаратов меньше стандартного кадра 35-мм фотоплёнки — 36х24 мм. Диагональ матрицы указывается в паспорте фотоаппарата. Объективы плёночных камер используются в цифровой фотографии. При установке объективов с аналоговых фотоаппаратов на цифровые фотоаппараты объектив дает тот же кадр 24×36 мм, но матрица меньше и часть кадра не попадает на матрицу — кадр подрезается. Угол изображения, спроектированного на матрицу, меньше угла обзор объектива. Фокусное расстояние объектива, естественно, не изменилось, но оно не соответствует размеру изображения, поэтому его называют эквивалентным фокусным расстоянием объектива, Fк. Количественно (англ. crop factor — свойство подрезания) кадра — кроп-фактор, CF, равен отношению диагонали 35 мм кадра, Dк, к диагонали матрицы, Dм. CF= Dк\Dм=Fм\Fк, где Fм — фокусное расстояние гипотетического объектива, который имеет кадр равный размеру матрицы.
Следует отметить, что изменение угла зрения объектива пленочного фотоаппарата на матрицу размером меньше 24×36 мм не устраняет особенностей отображения перспективы, свойственных адаптированным объективам так как диафрагмирование объектива и глубина резко изображаемого пространства, ГРИП не меняются.
Пример. Объектив с фокусным расстоянием Fк=50 мм поставим в цифровой фотоаппарат, кроп-фактор которого CF= Dк\Dм =1,6. Часть изображения подрежется и угол на кадр станет меньше, как у объектива с фокусным расстоянием Fм=Fк*CF=80 мм. Короткофокусный объектив только имитирует работу более длиннофокусного.
Если вы используете качественный объектив от пленочного фотоаппарата в цифровом фотоаппарате, то необходимо помнить, что разрешающая способность объектива должна быть всегда больше 250lpm (линий на миллиметр).
Для малогабаритных матриц уже выпущено достаточно разных объективов.
Производители предпочитают трактовать уменьшение угла зрения объектива как увеличение фокусного расстояния, отсюда термин ЭФР («эффективное фокусное расстояние») — то есть фокусное расстояние объектива, дающего на 35 мм кадре тот же угол зрения, что и объектив, установленный в цифровой фотоаппарат с меньшим размером матрицы. Так, вариообъектив с реальными фокусными расстояниями 6-72 мм, предназначенный для работы с матрицей, линейные размеры которой в 6 раз меньше 35 мм кадра, имеет ЭФР 36-436 мм.