Матрица в фотоаппарате какая лучше
Обновлено: 04.07.2024
Раньше было вполне логичным, что покупая компактную камеру, вы получали небольшую матрицу, а если выбирали крупногабаритную зеркалку со сменными объективами, матрица на ней была значительно больше. Это сказывалось на качестве фотографий, поскольку чем больше матрица, тем более детализированы были изображения.
Сейчас это в принципе, тоже в какой-то мере актуально, матрица — это самая дорогая часть камеры в плане производства, и чем больше матрица, тем и камера, соответственно, дороже. Потому на дорогие камеры обычно не устанавливаются матрицы 1/2.3 дюймовые, а на дешевых, соответственно, не найти полнокадровую.
Но надо сказать, что сейчас многие производители стали предлагать компактные камеры с относительно большими матрицами, точно так же как и камеры под сменные объективы с меньшими матрицами. Так что разобраться в ситуации, пожалуй, стало сложнее. Небольшие матрицы способны отлично срабатывать в различных условиях, и даже имеют некоторые преимущества перед большими.
За последние годы и сама технология создания матриц значительно продвинулась вперед, так что сегодня большое количество предлагаемых вариантов может смутить даже опытного пользователя, что уж говорить о тех, кто приобретает первую фотокамеру. А ведь размер матрицы еще и на фокусном расстоянии сказывается, так что учитывать при выборе камеры действительно нужно очень многое.
Итак, мы решили разобраться в различных типах матриц, чтобы расставить все по местам. Но для начала нужно уточнить, как именно размер матрицы влияет на эффективное фокусное расстояние.
Фокусное расстояние
Итак, мы уже выяснили, что размер матрицы связан с фокусным расстоянием, то есть с тем, какой именно объектив подойдет вашей камере. Если вы приобретаете компактный девайс с не съемным объективом, проблема сама собой отпадает, то есть с позиции покупателя это гораздо проще. Но не просто так профессионалы выбирают именно те камеры, где объективы можно менять. Любой объектив должен иметь поле (круг) изображения или диаметр света, который существует в объективе и который покрывает размер матрицы. Есть одно исключение, к которому мы вернемся позже.
Итак, встроенные или нет, объективы всегда помечены реальным фокусным расстоянием, а не эффективным фокусным расстоянием, которое вы получите при использовании на той или иной камере. Но проблема в том, что различные объективы с различной маркировкой могут в итоге обеспечить одно и то же фокусное расстояние для работы. Почему? Потому что они предназначены для разных матриц. Именно поэтому производители помимо маркировки указывают эквивалент, где основным расстоянием считается 35мм или полнокадровая матрица.
В компактных камерах может был установлен 19мм объектив, но из-за размера матрицы, который меньше фуллфрейма, вы получите в итоге большее фокусное расстояние, около 28мм. Точная длина определяется кроп-фактором, то есть числом, на которое нужно увеличить данное под фуллфрейм фокусное расстояние, чтобы выяснить какое расстояние получится на той или иной камере.
Несомненно, матрица фотокамеры – один из важнейших элементов конструкции устройства. В этом руководстве вы найдете детали, которые позволят вам выбрать оборудование, идеально соответствующее вашим личным предпочтениям.
Ознакомьтесь с некоторыми советами и выберите лучшее решение. Узнайте, какая матрица зеркальной или цифровой камеры подойдет лучше всего.
Выбор матрицы фотоаппарата – что важно
Прежде чем вы решите купить фотокамеру, вы должны внимательно прочитать описание продукта, где указаны точные технические характеристики. Благодаря этому вы сможете выбрать оборудование, которое будет идеально держаться в руках.
Размер матрицы играет ключевую роль. Меньшие по размеру сенсоры обеспечат большую глубину резкости и будут использоваться в камерах с ультразумом. Однако, более крупные матрицы обеспечат более широкое поле зрения. Кроме того, мы можем рассчитывать на более качественные фотографии даже в условиях плохого освещения. Конечно, камеры, оборудованные таким образом, относительно дороги: их ценят самые требовательные пользователи. Поэтому нет сомнений в том, что размер сенсоров цифровых фотоаппаратов является важным критерием покупки.
Перед покупкой необходимо обратить внимание на типы матриц. В нашем руководстве мы представляем все самые популярные решения. Выбор будет зависеть от предпочтений пользователя и типа фотографий, для создания которых устройство используется. Обязательно стоит ознакомиться со всеми деталями, чтобы выбрать как подходящий тип, так и размер матрицы. Мнения, собранные в Интернете, и советы профессиональных пользователей также могут быть полезны при выборе.
Что такое фотоматрицы?
Прежде чем мы подробно остановимся на типах фотоматриц, следует подчеркнуть, что вообще представляют собой матрицы в зеркальных фотокамерах или цифровых камерах.
Матрица фотоаппарата – это электронные светочувствительные датчики. Они используются для преобразования изображения в сигнал, позволяющий сохранить изображение в памяти устройства. Тщательный анализ характеристик сенсора позволит нам выбрать оборудование высочайшего качества. Чтобы купить оборудование высокого класса с хорошим сенсором, сравните две камеры с учетом, например, производителя. Таких комбинаций стоит составить несколько, ведь ассортимент продукции чрезвычайно богат и разнообразен.
Типы матриц в фотоаппаратах
Фотоматрицы можно разделить по размеру и типу. Один из самых популярных типов – CMOS . Этот тип матриц фотокамеры состоит из детекторов RGB, которые после экспонирования и обработки процессором устройства создают изображение.
Их неоспоримое преимущество – отличная цветопередача и возможность работать с повышенной чувствительностью. Сигнал считывается линейно, что отличает CMOS-матрицы от CCD, где считывание осуществляется в один момент со всего сенсора. Этот тип матрицы в фотоаппаратах очень популярен, хотя одним из недостатков может быть «эффект рольставни». Это означает, что при записи объекты, которые движутся перпендикулярно оси наклона объектива, наклоняются. Это происходит потому, что верхние пиксели считываются раньше, чем нижние.
Одним из популярных типов CMOS-сенсоров является фотодатчик BSI CMOS. Его преимущество – повышенная чувствительность за счет несколько иного расположения светочувствительных элементов. Слой кремния расположен под линзами, что позволяет регистрировать больше света. Мы часто встречаем этот тип матриц в цифровых камерах мобильных телефонов.
Другим предложением могут быть датчики CCD . Это часто применяемая матрица для цифровых фотоаппаратов – цена этих устройств намного ниже по сравнению с популярными SLR. Преимуществом этого типа решения может быть очень хорошая цветопередача при низкой чувствительности и отсутствие эффекта рольставни. Однако, эти матрицы работают немного медленнее. Следует подчеркнуть, что сегодня подобные решения становятся всё менее популярными.
Чтобы провести честное сравнение матриц камер, следует учитывать датчики типа Foveon , которые мы встречаем в камерах Sigma. Матрицы состоят из трёх слоев, что означает, что они отдельно регистрируют три основных цвета. Хотя эти типы датчиков сегодня не очень популярны, следует отметить, что камеры обладают высокой резкостью, хотя могут появляться помехи и проблемы с правильной цветопередачей.
Сравнение размеров матриц фотокамер
Мы упоминали, насколько важен размер сенсора в цифровых камерах и зеркальных фотокамерах. Мы можем выбрать несколько видов.
Вот самые популярные:
- 1/2.3” – очень распространенный размер матриц фотокамер. Размер одного пикселя не слишком велик, что сказывается на качестве фото. Стоит упомянуть, что такие датчики также можно найти в камерах с ультразумом, потому что их конструкция в сочетании с относительно небольшим корпусом может обеспечить очень большое приближение.
- 1/1.7” – этот сенсор отлично подходит в качестве матрицы качественной цифровой камеры. Чем больше размер, тем выше качество изображения. Такие фотокамеры позволяют сохранять фотографии в формате RAW. Это отличное предложение для людей, которые ищут профессиональные решения по хорошей цене.
- 1” – такой сенсор можно использовать как матрицу для цифровой камеры и зеркальной камеры. Это одна из самых популярных матриц, которая даёт возможность делать фотографии высокого качества.
- 4/3” – такой размер матрицы в камере позволит делать снимки очень хорошего качества – до ISO 6400, что является отличным результатом при сохранении небольшого размера корпуса. Если конструкция вашего фотоаппарата дополнена такой матрицей – фотографировать будет сплошное удовольствие.
- APS-C/Dx – один из самых популярных размеров сенсоров в фотоаппаратах. Датчики используются в различных типах устройств. Используемый коэффициент преобразования составляет 1,5x или 1,6x для полнокадровых фокусных расстояний. Их размер достаточно велик, а цена довольно привлекательна, что делает их популярным выбором.
- Полнокадровый – размеры матриц камеры соответствуют кадру 35-миллиметровой пленки, а значит, преобразователь фокусных расстояний не используется. Это отличное предложение для людей, которые часто фотографируют при неблагоприятных условиях освещения.
Несомненно, что при выборе фотоаппаратов основным компонентом для анализа являются фотоматрицы. Правильно подобранный сенсор обеспечит ожидаемое качество фотографий и позволит запечатлеть много прекрасных моментов. Выберите одну из проверенных моделей и оцените комфорт использования.
Два месяца тому назад в статье, посвящённой сравнению LCD и E-Ink дисплеев, я упомянул, что одним из следующих обзоров будет «вскрытие» матрицы современного фотоаппарата. И спешу исполнить данное обещание!
Первым в «коллекцию» светочувствительных матриц попали фронтальная и задняя камеры смартфона одного известного корейского производителя, который был любезно предоставлен Василием Столяровым. Затем хабраюзер DarkWood, живущий недалеко от Москвы, прислал мне свой старенький неработающий фотоаппарат фирмы Pentax (здесь и далее я намеренно не буду указывать точную модель девайсов). Девайс был мёртв и это был хороший повод сдать его в мои заботливые руки, а не выкидывать, как многие делают.
И как только я собрался пилить, поступило ещё одно предложение от моего практически однокурсника, Ильи. От этого предложение я не мог отказаться. Мне презентовали относительно современный Canon, у которого были проблемы со съёмкой изображений.
Таким образом, на красно-революционно-первомайский стол ложатся три кандидата: OEM камера из телефона и фотоаппараты Pentax (самый пожилой среди всех участников) и Canon (пожалуй, самый молодой).
Если ещё кто-то не знает, зачем мы здесь собрались, то в подвале данной статьи есть ссылки на предыдущие «вскрытия». Если же кто-то запамятовал, как работает цифровой фотоаппарат или зачем нужна матрица, то милости просим на Wiki или просто посмотрите это видео от канала Discovery:
Часть теоретическая. CCD и CMOS
На сегодняшний день матрицы, выполненные по технологии CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) завоевали более 90% мирового рынка, а не так давно безумно популярным CCD (Charge-Coupled Device) уже пророчат скорый закат.
Причин тому масса, вот далеко не полный список преимуществ CMOS-технологии: во-первых, низкое энергопотребление в статическом состоянии по сравнению с CCD, во-вторых, CMOS сразу «выдаёт» цифровой сигнал, который не требует дополнительного преобразования (точнее преобразование происходит на каждом отдельном субпикселе), в отличие от CCD, которое является фактически аналоговым устройством, в-третьих, дешевизна производства, особенно при больших размерах матриц.
Кратко ознакомиться с принципами работы CMOS-матриц можно с помощью в двух видео от компании Canon:
Но все наши пациенты (может быть, за исключением матрицы камеры мобильного телефона) относятся к той эпохе, когда миром безраздельно правил CCD, а CMOS только набирался сил и светочувствительности, чтобы впоследствии занять лидирующие позиции. Поэтому несколько слов, всё же, скажу о том, как работает CCD-матрица. Более подробное описание всегда можно найти на страницах Wiki.
Итак, фотон от объекта съёмки, пройдя сквозь фильтр Байера, то есть цветофильтр типа RGBG, или фильтр RGBW и собирающую микролинзу, попадает на светочувствительный полупроводниковый материал. Поглощаясь, фотон порождает электро-дырочную пару, которая в ячейке под действием внешнего электрического поля «разделяется», и электрон «отправляется» в копилку – потенциальную яму, где он будет ожидать «чтения».
Схема устройства CCD матрицы (Источник)
Чтение же в CCD матрицы происходит «поячеечно», если так можно выразиться. Пусть мы имеем массив 5 на 5 пикселей. Сначала мы считываем количество электронов, а по-простому величину электрического тока, с первого пикселя. Затем специальный контроллер «сдвигает» все ячейки на одну, то есть заряд из второй ячейки перетекает в первую. Опять считывается значение и так, пока не будут прочитаны все 5 ячеек. Далее уже другой контроллер сдвигает оставшееся «изображение» на одну строчку вниз и процесс повторяется, пока не будут измерены токи во всех 25 ячейках. Может показаться, что это долгий процесс, однако для 5 миллионов пикселей он занимает считанные доли секунд.
Процесс считывания изображения с CCD матрицы (Источник)
Чтобы было совсем понятно, предлагаю ознакомиться со следующими видео:
Часть практическая
Обычно красивыми разборами занимаются люди в белоснежных перчатках, недавно они добрались и до фотоаппаратов, однако поговаривают, что за видео-инструкцию по сборке необходимо доплатить, отправив смс на короткий номер. Далее будут применяться чуть более чем полностью топорные методы, так что не советую повторять это в домашних условиях…
Как разбирался сотовый телефон всегда можно посмотреть на страницах предыдущей статьи, поэтому не буду здесь приводить эти душераздирающие кадры ещё раз.
Вышеупомянутый фотоаппарат Pentax был предоставлен мисьё DarkWood, у которого, как мне кажется, сейчас сердце должно обливаться кровью, а по щеке катиться скупая мужская слеза:
Разборка Pentax в фотографиях
Из всего многообразия деталей, нас пока интересует лишь LCD дисплей, который будет демонстрироваться школьникам, приходящим к нам, на ФНМ, на экскурсии, сама CCD матрица, стекло с чем-то подозрительно напоминающим поляризатор или фильтр и ИК-подсветка (красная лампочка) для ночной съёмки. Стоит отметить, что матрица жёстко закреплена на корпусе фотоаппарата. Следовательно, все вибрации Ваших рук будут без труда напрямую передаваться на саму матриц, что, согласитесь, никак не способствует качественной фотосъёмке. Видимо, DarkWood имеет железобетонные нервы.
Что между тем не помешало ему, «утопить» свой любимый фотоаппарат. Помните, когда летом Вы оправитесь в тёплые страны на море и будете пытаться сфотографировать очередную накатывающую волну, что фотоаппарат – устройство, в котором токи могут приводить к коррозии.
Следы коррозии прямо на шлейфе, ведущем к кнопке спуска затвора (к сожалению, не единственное такое место)
Сразу видно, что Canon – чуть более продвинутая, более современная модель, нежели Pentax. Например, матрица подпружинена (на левом нижнем изображении хорошо различимы маленькие пружинки). Такая пассивная система стабилизации изображения способствует получению более качественных и чётких снимков, если, конечно, Вы не неврастеник в запущенной стадии!
«Внутренности» Canon
Кстати, на фото справа внизу отчётливо виден громадный конденсатор, отвечающий за вспышку, из-за проблем с которым мне когда-то пришлось списать свою цифровую мыльницу Canon.
Камера мобильного телефона
Начнём наши изыскания с камеры мобильного телефона, которой будет посвящено не так много времени и слов в этой статье по причине того, что сама матрица имеет совершенно микроскопические размеры и с ней трудно работать (пилить, шлифовать).
Как не сложно заметить, на оптических микрофотографиях ниже матрица у края имеет две зоны: более светлую и более тёмную. Надеюсь, что все уже догадались: под светлой стороной нет диодов, она нанесена просто так, с запасом, чтобы максимально закрыть собой тонкую душевную организацию матрицы…
Накроем всё с запасом – нам не жалко
Микрофотографии, полученные с помощью оптического микроскопа, значительно отличаются, от тех, что выдаёт микроскоп электронный. Например, как на счёт «квадратуры сферы»?
Дело в том, что на оптике мы не видим каких-то прозрачных слоёв (да хотя б они и просто менее заметны), тогда как электронная микроскопия – прежде всего метод анализа поверхности, то есть вполне может быть так, что круглые цветные цветофильтры накрыты сверху квадратными «колпаками». При этом размеры такого кубосферического субпикселя составляют около 2,5 микрометров.
Вот такая она, квадратура сферы…кстати, в вакууме…
Матрица фотоаппарата Pentax
Исследование CCD-матрицы фотоаппарата Pentax начнём с оптических микрофотографий. К моему глубокому сожалению, из-за стерических затруднений, как говорят химики, в системе образец-микроскоп, не удалось снять при больших увеличениях и рассмотреть отдельные субпикселы.
Что-то написано, интересно, а можно тут где-нибудь увидеть имена маленьких китайских детишек?
Каждая посадочная площадка под контакты пронумерована, но не к каждой подведён тот самый контактный провод.
А вот так мы скоро будем учиться считать – с помощью нанотехнологий, естественно…
Чёткая граница между самой матрицей и «обвязкой»
А следующая микрофотография достойна учебника по электронной микроскопии. Знаете, почему электронный микроскоп не является средством измерения? Да-да, именно поэтому: из-за локального накопления заряда, вроде бы сферические объекты вдруг стали эллипсоидами:
Но мы-то знаем, что это сферы…
Далее взглянем на то, что находится вокруг светочувствительной матрицы. Так как я не являюсь специалистом в области создания электронных схем, то боюсь даже предполагать, зачем нужны все эти сложные конструкции и «хитросплетения» проводников, может быть, найдётся кто-нибудь, готовый пояснить назначение приведённых ниже деталей и компонентов (в комментариях, конечно же)?
Непоколебимые столбики, пережившие распил и полировку…
В этих слоях можно запутаться, а чёрту и ногу сломать
Этот выпуск «Взгляд изнутри» — знаковый, после нескольких лет «мытарств» нам, наконец-то, установили новую систему микроанализа, так что в некоторых случаях, я смогу не только приводить красивые картинки, но и пояснять из каких химических элементов увиденное состоит.
А вот и самое интересное – матрица во всей своей красе. Под сеточкой, в ячейках которой расположились микросферы-линзы, можно видеть отдельные фоточувствительные элементы (ну или их останки, точнее сказать затруднительно). Чуть ниже при обсуждении матрицы Canon я в деталях поясню «cross-section» устройство матрицы. Пока же обратимся к данным локального химического анализа. Оказывается, что сетка состоит из вольфрама, а микросферы, по всей видимости, это диоксид кремния, который сверху «укрыт» каким-то полимерным материалом. С более детальным анализом можно ознакомиться здесь.
Матрица во всей своей сложноустроенной красоте
Возвращаясь к первому СЭМ-изображению в этой главе, хочется отметить, что контактные площадки выполнены из чистого золота (о да!), однако проводники внутри сенсора, по всей видимости, состоят из алюминия, на который тончайшим слоем напылена медь, содержание которой на грани чувствительности прибора. Детальная информация представлена тут.
Матрица фотоаппарата Canon
Продолжим наше погружение в микро- и наномиры мы, как обычно, с оптической микроскопии. Как и в случае с Pentax, матрицу от фотоаппарата Canon не удалось снять на высоком увеличении вследствие геометрических нестыковок. Однако из полученных микрофотографий можно оценить размер отдельного субпикселя – около 1,5 мкм, что гораздо меньше, чем у матрицы мобильного телефона.
Оптические микрофотографии матрицы Canon
Кстати, один из виновников невозможности снимать на оптическом микроскопе при больших увеличениях – «покровное» стекло, закрывающее собой матрицу и её «начинку»:
Хороший кадр: передача за стеклом
Конечно, всегда самое интересное прячется на сколах, где разваливающийся строго упорядоченный мир даёт трещину, позволяющую заглянуть в самые сакраментальные уголки устройства:
Чуть позже мы ещё вернёмся к желтовато-оранжевым областям этой фотографии…
Уже знакомые нам столбики совершенно не понятного предназначения:
Как стойкие оловянные солдатики
Теперь рассмотрим более детально устройство CCD-матрицы. Сверху CCD-матрица покрыта чем-то, напоминающем полимерный слой (1), который защищает фоточувствительные элементы от агрессивной внешней среды. Под ним находятся микролинзы с красителем (2 и 3). Но так как электронная микроскопия не позволяет получать цветные изображения, то точно сказать, окрашена большая или маленькая сферы не представляется возможным. Микролинзы из диоксида кремния (наиболее вероятный материал для их изготовления) закреплены в ячейках вольфрамовой сетки (4), под которой скрывают фоточувствительные элементы (5). И, конечно же, вся эта конструкция покоится на подложке из чистейшего кремния!
С учётом того, что матрица дополнительно защищена «покровным» стеклом, то фотоэлементы защищены лучше, чем президент РФ в своём лимузине (если, конечно, сделать поправку на масштабный фактор).
Данные микроанализа можно скачать тут.
Устройство матрицы по пунктам. Описание в тексте
Но и это ещё не всё. У нас же осталось ещё стёклышко, прикрывающее матрицу, которое, как кажется, является поляризатором. Оно несколько шероховатое по краям, но практически идеально гладкое по всей остальной площади поверхности. Вроде бы оптическая микроскопия не даёт никаких результатов: стекло, как стекло.
Стекло с подозрением на поляризатор: ничего необычного
И только с помощью электронной микроскопии удаётся увидеть химконтраст на изображении и полосатую структуру. Толщина такой «плёнки» составляет всего-навсего 2,5 микрометра, при этом размеры отдельных слоёв 180 и 100 нм, соответственно, для более тёмных и более светлых. На основании данных микроанализа (тут), рискну предположить, что более тёмные области обогащены титаном, а светлые – алюминием. По-моему, это потрясающе!
Оказывается, внутри фотоаппарата своя полосата жизнь!
Послесловие
Такой мир уходящего века CCD-матриц предстал перед нами сегодня.
Спасибо всем (Василию за телефон, Илье и DarkWood за фотоаппараты), кто внёс свой посильный вклад в создание данной статьи. Вы – молодцы, что поддержали в этом нелёгком начинании!
И апофеоз данной статьи, а точнее его апофигей:
Покойтесь с миром, пока мы не придумаем вам нового применения
Бонус 1. Как выглядит зелёная пылевая буря в Москве?
Хотел сначала отдельным постом выложить, но решил не захламлять пространство. Буквально несколько дней назад Москву накрыло жёлто-зелёное облако, многие уже начали было готовится к приходу апокалипсиса, но обошлось… Что в реальности явилось причиной столь странной окраски?
Климат в последнее время барахлит на этой планете: то на Новый Год оставит без снега, то завалит снегом по самую макушку, то весна будет похожа на зиму, то вдруг неожиданно наступит лето. Цветы, деревья и растительность менее приспособлены к такого рода пертурбациям, поэтому 1,5 месяца весны сжавшиеся в 1 неделю заставили растения пересмотреть свои планы по размножению…
Утром, сев за письменный стол, я обнаружил на нём слой пыли, а протерев салфеткой, понял, что надо бы эту пыль как следует изучить. Сказано – сделано!
Хорошая новость – окраска жёлто-зелёного облака действительно была обусловлена большим количеством пыльцы (я насчитал, как минимум, три вида):
Состав московской бури: пыльца… Справа внизу пыльца на поверхности части растения
Плохая новость – этим мы тоже дышим, причём каждый день, а не в периоды размножения растений (микро- и наночастицы, которые не каждый фильтр поймает):
Состав московской бури: не очень приятная пыль и грязь
В записывающей и воспроизводящей аппаратуре на смену фотопленкам и кинескопам пришли матрицы. Визуально они похожи на прямоугольные таблицы со столбцами и строчками, но значительно меньше по размеру. Каждая клетка-ячейка – это один или несколько электронных элементов, выполняющих общую функцию. Называют их пикселями, а количество измеряют миллионами. От типа и характеристик матрицы прямо зависит качество фото и видео.
Устройство матрицы камеры
Геометрические размеры такой матрицы очень малы. Например, у видеокамеры Sony FDR-AX33 диагональ 7,76 миллиметров.
У других моделей она может быть чуть больше или меньше. Поэтому ее относят к микроэлектронным устройствам.
Элементы матрицы закреплены на тонкой пластине и связанны между собой электрически. Микроэлектронные устройства подобной конструкции называют интегральными микросхемами. Следовательно, матрица камеры является интегральной микросхемой. Сокращенно ИМС.
Элементы принимающей матрицы светочувствительные. Они изменяют свои свойства под действием света. Природа света довольно сложна, но можно условно сказать, что он «состоит» из элементарных частиц – фотонов. Отсюда названия: фотоматрица и фотоэлементы.
Принцип работы фотоматрицы
Главную роль при фото- и видеосъемке играет свет, исходящий от солнца или от источников искусственного освещения. Свет падает на предметы, отражается от них, фокусируется в объективе и проецируется на матрицу цифровой камеры.
Преобразование полученного света сначала в электрический заряд, а затем в электрический сигнал – это и есть основная задача и основной принцип работы фотоматрицы.
Из аналогового в цифровой
Сигнал напряжения непрерывен и определен в любой промежуток времени, поэтому он по определению является аналоговым. Его сложно записать, передать, воспроизвести без ошибок и помех. Поэтому его преобразуют в цифровой сигнал. Для этой цели используется еще один электронный компонент камеры – аналого-цифровой преобразователь.
Сигнал напряжения поступает в АЦП, где сначала проходит дискретизацию. При этой операции выделяются одинаковые интервалы времени, которым соответствуют определенные значения напряжения. На следующем этапе выполняется квантование – разбиение значений напряжения на уровни и их округление.
После всех преобразований на выходе из АЦП получается цифровой сигнал. Далее он кодируется и превращается в двоичный код из нулей и единиц. После сжатия в виде файла сохраняется на карте памяти или другом носителе. Это ваша фотография или видеофильм в цифровом виде. Вы можете воспроизвести и просмотреть его на ноутбуке или смартфоне, переслать другу или разместить в социальных сетях.
Типы принимающих матриц
Первые цифровые фотоаппараты потребительского класса, были оснащены CCD-матрицами. Современные представители: Kodak PIXPRO FZ43 и Nikon Coolpix A300.
Пиксель CCD – это только один фотоэлемент. Он пассивен, так как электрический ток в нем протекает произвольно. Сигналы считываются с одного или двух каналов и последовательно: от одного ряда к другому. Для оцифровки передаются за пределы подложки матрицы.
Процесс длится несколько микросекунд, но быстродвижущийся объект успеет изменить положение и изображение на снимке может получиться размытым. Так как вся CCD состоит из фотоэлементов, у нее высокая светочувствительность. Качественные снимки получаются даже при плохом освещении.
Большинство современных цифровых фото- и видеокамер оснащены CMOS-матрицами. Они установлены в фотоаппарате Nikon D3400, в видеокамере Sony HDR-CX625 и многих других.
Пиксель CMOS матрицы активен – он включает не только фотоэлемент, но и элемент для усиления электрического тока. Сигнал считывается в любом порядке и с любого участка матрицы. На одной подложке с пикселями установлен и АЦП.
Благодаря такой архитектуре, CMOS обеспечивают более быструю передачу данных. Фото мчащегося по автотрассе Феррари получится без искажений. Также снижается энергопотребление – камера в автономном режиме проработает дольше.
В то же время из-за дополнительных элементов на подложке размер пикселей у CMOS меньше, поэтому они улавливают не весь поступивший свет. Это влияет на качество снимков, сделанных при слабом освещении. По этой же причине могут возникать цифровые шумы – дефекты изображения в виде зернистости.
С развитием технологий характеристики CMOS улучшаются. Обновлённые BSI CMOS установлены во многих камерах Panasonic, включая модели HC-V800, HC-VX1, HC-VXF1. Они обладают более высокой светочувствительностью. Даже при слабом освещении изображения получаются с высокой детализацией и глубокой цветопередачей.
Матрицы в ЖК-дисплеях
Когда вы смотрите телевизор Hartens 32 или работаете на ноутбуке Lenovo IdeaPad, изображение воспроизводится с помощью жидкокристаллического дисплея. Английская аббревиатура – LCD. Такая технология массово используется в производстве цифровой видеотехники.
Жидкокристаллические матрицы имеют многослойную структуру. В центре – слой жидких кристаллов. Они совмещают в себе свойства кристаллических тел и жидкостей, одновременное проявление текучести и упорядоченного расположения. Каждый пиксель LCD «наполнен» жидкими кристаллами. Для подачи электрического напряжения к пикселям подведены электроды.
От носителя к дисплею
При передаче цифровой информации с носителя на монитор важным звеном является видеокарта. Ее графический редактор выполняет расчеты выводимого изображения. При помощи видеоконтроллера изображение формируется в видеопамяти. Он же обеспечивает формирование сигналов развертки для монитора. За передачу цифрового сигнала на ЖК-дисплей отвечает устройство TMDS.
Если у видеокарты нет выхода DVI, она не сможет передать цифровой сигнал. В этом случае он преобразуется сначала в аналоговый, а затем через АЦП самого дисплея вновь в цифровой. Процессы таких преобразований аналогичны тем, о которых рассказывалось выше.
Далее цифровой сигнал примет контролер дисплея, раскодирует его, преобразует в сигнал управления дисплеям, масштабирует изображение, выполнит цветовую коррекцию, сформирует уровни напряжения.
В зависимости от уровня напряжения, молекулы жидких кристаллов изменяют свою пространственную ориентацию. Вместе с этим меняется и способность пикселей пропускать свет, то есть меняется их прозрачность. Такой эффект и дает возможность воспроизводить и просматривать видеофильмы и фотографии.
Передающие матрицы IPS и TN
Матрицы IPS и TN отличаются между собой геометрией поверхностей и материалами изготовления. Общим остается наличие жидких кристаллов. В TN LCD стержневидные молекулы закручены в спирали. У пикселей высокая скорость отклика, но при этом угол обзора экрана невелик и на нём нет насыщенного черного цвета. Позже была внедрена технология TN+film, в которой угол обзора увеличили за счет дополнительного слоя. Пример – ноутбук HP 15-bw662ur.
В дисплеях более поздней технологии IPS жидкие кристаллы расположены параллельно и в одной плоскости. При подаче напряжения они одновременно меняют свое положение. Это дает высокую яркость и большой угол обзора. Но скорость отклика во время игр оставляет желать лучшего. В новых модификациях IPS LCD скорость отклика повышена до 5 и более миллисекунд. При таких показателях они становятся хорошим вариантом не только для просмотра фильмов, но и для игр. IPS-дисплеем снабжены ультрабук Huawei Matebook 13, планшеты Lenovo TAB4 10 Plus, Lenovo Yoga Book C930, Apple iPad Pro 2018 и многие другие гаджеты.
В культовой киноленте главный герой выбирал между красной и синей таблеткой, между реальностью и иллюзиями. Так и выбор матрицы определяет, каким предстанет мир на ваших фото и видео, на экранах телевизоров, дисплеях планшетов и мониторах ноутбуков.
Читайте также: